Kwadratowa zagadka grawitacji. Czy to ona sprawia, że z realnego świata robi się… realny?

Czy zastanawialiście się kiedyś, dlaczego wasz kubek stoi nieruchomo na stole, a nie rozpływa się w chmurę prawdopodobieństw? W mikroświecie elektrony potrafią być jednocześnie w dwóch miejscach, ale w naszym – makroskopowym – rzeczywistość jest wyraźna, konkretna i przewidywalna. Przejście od kwantowej mgły do klasycznej bryły to jedna z największych zagadek fizyki. Od dawna zakładano, że odpowiedź leży w kwantowaniu grawitacji – ostatniej siły, która opiera się tej procedurze. Jednak grupa fizyków proponuje radykalne odwrócenie perspektywy: może to mechanika kwantowa musi ustąpić przed grawitacją? I właśnie ta myśl otwiera drzwi do nowych, zaskakująco namacalnych eksperymentów.

Odwrotny kierunek: grawitacja jako siła niszcząca kwantową superpozycję

→ Czytaj też: Schrödinger nie znał DNA, a i tak zadał pytanie, które wciąż napędza fizyków

Przez blisko sto lat standardowa ścieżka do teorii wszystkiego wyglądała tak: weź ogólną teorię względności Alberta Einsteina i spróbuj ją przepisać językiem cząstek i sił, którymi posługuje się mechanika kwantowa. Jak pisze New Scientist, to jak próba wciśnięcia potężnego antycznego pianina przez malutkie drzwi – po latach okazuje się, że łatwiej zbudować nowy pokój wokół instrumentu. Tym „pokojem” są modyfikacje równań mechaniki kwantowej.

W latach 80. XX wieku fizycy Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini i Tullio Weber zaproponowali, że to jakiś niewidoczny proces zakłóca fale kwantowe, powodując ich nagłe załamanie. Kilka lat później Lajos Diósi z Węgier i Roger Penrose z Oksfordu wskazali konkretnego winowajcę – grawitację. W modelu Diósiego-Penrose’a grawitacja wymusza kolaps funkcji falowej. Jak to działa? Umieszczenie odpowiednio masywnego obiektu w superpozycji dwóch miejsc zmusza czasoprzestrzeń do zakrzywienia się na dwa sposoby równocześnie – czego nie może ona tolerować. Czasoprzestrzeń „wybiera” jedno rozwiązanie, a kwantowa superpozycja rozpada się.

Testy na granicy możliwości: diamenty, atomy i spadające chmury

→ Czytaj też: Kot Schrödingera przemówił. Poemat w Scientific American o kwantach i świadomości

Kluczowa różnica między standardową teorią kwantów a podejściem Diósiego-Penrose’a tkwi w przewidywaniach. W modelu grawitacyjnego kolapsu czas życia superpozycji maleje wraz z kwadratem masy obiektu. Dla pojedynczego atomu superpozycja może trwać bardzo długo, ale dla cząsteczki wielkości wirusa rozpadłaby się błyskawicznie. To tłumaczy, dlaczego w codziennym świecie nie widzimy superpozycji – grawitacja natychmiast niszczy kwantową kohorencję.

Fizycy nauczyli się już tworzyć superpozycje z obiektów zawierających tysiące atomów. W tym roku naukowcy z Austrii pobili rekord, wprowadzając w stan superpozycji nanocząstki tlenku sodu złożone z ponad 7000 atomów – większe od niektórych wirusów. To jeszcze nie wystarczy, by przetestować model Penrose’a, ale zbliża się do granicy, przy której własne pole grawitacyjne obiektu mogłoby zacząć odgrywać rolę.

Jeszcze ciekawszy eksperyment przeprowadził zespół Rona Folmana z Ben-Gurion University w Izraelu. Naukowcy umieścili pojedynczy atom rubidu w superpozycji dwóch stanów: jednego, w którym atom unosił się w miejscu, i drugiego, w którym swobodnie spadał pod wpływem ziemskiej grawitacji. Następnie zmierzyli wzór interferencyjny powstały z nałożenia się obu stanów. Wynik potwierdził, że na poziomie pojedynczego atomu superpozycja jest zgodna z ogólną teorią względności – ale, jak podkreśla Penrose, powtórzenie tego testu z cięższymi masami powinno ujawnić załamanie zgodności i zniknięcie prążków interferencyjnych.

Konsekwencje: czy czeka nas rewizja mechaniki kwantowej?

Choć brzmi to jak czysta teoria, stawka jest ogromna. Jeśli okaże się, że grawitacja faktycznie wymusza kolaps funkcji falowej, oznaczałoby to, że mechanika kwantowa w jej obecnej postaci nie jest kompletna. Trzeba by ją rozszerzyć o nowy mechanizm fizyczny, który do tej pory umykał detekcji. Jak mówi fizyk Angelo Bassi z Uniwersytetu w Trieście: „To jak wypłynięcie na otwarty ocean – nie mamy pojęcia, dokąd płyniemy. Ale może… płynąc w złym kierunku, odkryjemy właściwą rzecz”.

Co więcej, podejście to może w końcu dostarczyć testowalnych prognoz, których przez dekady brakowało teorii strun czy pętlowej grawitacji kwantowej. Eksperymenty z lewitującymi diamentami, wahadłami czy tykającymi zegarami – jak wylicza New Scientist – mogą w ciągu najbliższych lat dać odpowiedź, czy grawitacja rzeczywiście niszczy kwantowość. Jeśli tak, fizyka stanie przed fundamentalnym pytaniem: czy nasz realny, namacalny świat jest produktem ubocznym grawitacyjnego kolapsu? Być może odpowiedź na odwieczne pytanie o naturę rzeczywistości nie leży w cząstkach i polach, a w zakrzywieniu czasoprzestrzeni, które odczuwamy każdego dnia.