Гравитация не объясняет исчезновение квантовых эффектов: подземный эксперимент исключил модель Каройхази

Между крошечным миром частиц и атомов и гораздо более крупным миром, который мы наблюдаем каждый день, квантовое поведение, по-видимому, исчезает. Квантовая механика допускает существование частиц в комбинациях возможных состояний — явление, известное как суперпозиция. Именно эта странность вдохновила знаменитый мысленный эксперимент Шрёдингера с котом, который одновременно жив и мёртв, пока его не наблюдают. Однако объекты повседневного мира так себя не ведут.

Физики называют потерю этих квантовых эффектов декогеренцией. Почему она происходит и играет ли в этом роль гравитация — один из главных открытых вопросов фундаментальной физики.

Новый эксперимент, поддержанный Фондом фундаментальных вопросов (FQxI), исключил одно из заметных объяснений, связанных с гравитацией. Результаты опубликованы в New Journal of Physics в июне 2026 года.

«Один из глубочайших вопросов современной физики — почему странное квантовое поведение, управляющее атомами и элементарными частицами, по-видимому, исчезает в макроскопическом мире, который мы наблюдаем каждый день», — говорит член FQxI Каталина Курчану, директор по исследованиям и представитель коллаборации VIP в Национальной лаборатории Фраскати Национального института ядерной физики (INFN-LNF) в Италии.

Эксперимент проводился в Национальной лаборатории Гран-Сассо (INFN-LNGS) — крупнейшей в мире подземной лаборатории, посвящённой фундаментальной физике. Исследователи сосредоточились на модели, предполагающей, что сама гравитация может разрушать квантовые суперпозиции.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты искривляют ткань пространства-времени. В 1960-х годах венгерский физик-теоретик Фридьеш Каройхази предположил, что пространство-время может также испытывать крошечные неизбежные флуктуации. В его модели эти флуктуации постепенно разрушали бы квантовые суперпозиции, что могло бы объяснить, почему крупные объекты не остаются в странных комбинациях состояний, допускаемых квантовой механикой.

Идея Каройхази продолжала привлекать внимание и недавно была возрождена, уточнена и переформулирована Анджело Басси и коллегами из FQxI.

Предсказанные флуктуации пространства-времени нельзя обнаружить напрямую, но если они существуют, у них должен быть измеримый побочный эффект: они заставляли бы электрически заряженные частицы случайно двигаться и ускоряться, а те, в свою очередь, испускали бы чрезвычайно слабое электромагнитное излучение.

Обнаружить такой слабый сигнал сложно, поскольку он легко теряется под излучением от других источников, включая космические лучи. Именно поэтому Гран-Сассо так полезен: лаборатория находится под 1,4 километра радиационно-поглощающей породы, блокирующей большую часть фоновых помех.

«Природная защита, обеспечиваемая породой, создаёт одну из самых тихих сред на Земле для обнаружения чрезвычайно редких физических явлений», — говорит Курчану.

Исследователи использовали детектор на основе кристалла германия высокой чистоты размером с кофейную кружку, защищённого дополнительными слоями меди и свинца. Они собирали данные 62 дня, затем вычли ожидаемый уровень фонового излучения. Оставшееся сравнили с картиной излучения, предсказанной моделью Каройхази. Результат прост: сигнал не появился.

Это не доказывает, что гравитация никак не связана с квантовой декогеренцией. Однако это исключает одну важную версию этой идеи и задаёт физикам более жёсткие границы для будущих теорий, связывающих гравитацию с квантовой механикой.

«Отсутствие сигнала само по себе является крупным научным результатом, — говорит Курчану. — Исключив одну из старейших и наиболее естественных моделей гравитационно-индуцированной декогеренции, эта работа сужает поиск теории, описывающей взаимодействие гравитации и квантовой механики, приближая нас к пониманию одной из глубочайших тайн фундаментальной физики».

Модель Каройхази основана на идее, что природа может накладывать фундаментальный предел на точность определения положения объекта или измерения расстояния. С момента её предложения похожие идеи появлялись в ряде современных попыток объединить гравитацию и квантовую механику, включая теорию струн и петлевую квантовую гравитацию.

«Любой подход к квантовой гравитации в итоге предсказывает существование минимальной длины, связанной с неопределённостью измерения пространства-времени», — говорит Кристиан Пишиккья, квантовый физик из Центра исследований Энрико Ферми/INFN/VIP в Италии и научный руководитель нового исследования.

Квантовая гравитация часто воспринимается как область, лежащая далеко за пределами возможностей современных экспериментов. Но это исследование добавляет аргументов в пользу того, что некоторые предсказания, затрагивающие и гравитацию, и квантовую механику, уже можно проверять.

«Прецизионные эксперименты достигают уровня чувствительности, позволяющего проверять идеи, которые до недавнего времени относились почти исключительно к области теоретических спекуляций, — говорит Курчану. — По мере роста чувствительности граница между теорией и измерением продолжает смещаться, открывая новые возможности для открытия фундаментальных принципов, управляющих нашей Вселенной».

Исследование поддержано Фондом фундаментальных вопросов (FQxI) в рамках программы «Сознание в физическом мире».

«Такой тип исследований, который поощряет FQxI, объединяет команды разных поколений, границ и дисциплин, — говорит Курчану. — Это действительно может служить инкубатором новых идей».

Источники:

Материалы предоставлены Foundational Questions Institute, FQXi.

Nicola Bortolotti, Kristian Piscicchia, Alessio Porcelli, Matthias Laubenstein, Simone Manti, Antonino Marcianò, Federico Nola, Catalina Curceanu. Experimental exclusion of a generalized Károlyházy gravity-induced decoherence model. New Journal of Physics, 2026; 28 (6): 064511 DOI: 10.1088/1367-2630/ae774c