Что такое коллапс в физике

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС

Полезное

Смотреть что такое «ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС» в других словарях:

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звездах ядерного горючего они теряют свою… … Большой Энциклопедический словарь

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС — процесс гидродинамич. сжатия тела под действием собств. сил тяготения. Этот процесс в природе возможен только у достаточно массивных тел, в частности у звёзд. Необходимое условие Г. к. понижение упругости в ва внутри звезды, к рое приводит к… … Физическая энциклопедия

гравитационный коллапс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звёзд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звёздах ядерного горючего они теряют свою… … Энциклопедический словарь

Гравитационный коллапс — Модель механизма гравитационного коллапса Гравитационный коллапс катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным к … Википедия

Гравитационный коллапс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звездах ядерного горючего они теряют свою… … Астрономический словарь

Гравитационный коллапс — (от гравитация и лат. collapsus упавший) (в астрофизике, астрономии) катастрофически быстрое сжатие звезды на последних стадиях эволюции под действием собственных сил тяготения, превосходящих ослабевающие силы давления нагретого газа (вещества)… … Начала современного естествознания

Гравитационный коллапс — см. Коллапс гравитационный … Большая советская энциклопедия

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитац. сил. Г. к. может заканчиваться эволюция звёзд с массой св. двух солнечных масс. После исчерпания в таких звёздах ядерного горючего они теряют свою механич. устойчивость и… … Естествознание. Энциклопедический словарь

КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ — см. Гравитационный коллапс … Большой Энциклопедический словарь

коллапс гравитационный — см. Гравитационный коллапс. * * * КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ, см. Гравитационный коллапс (см. ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС) … Энциклопедический словарь

Источник

Что такое квантовый коллапс?

Квантовая механическая система может рассматриваться как вектор (или «состояние») в пространстве состояний.

Квантовый коллапс предположен в некоторых интерпретациях квантовой механики и относится к переходу квантовой системы из суперпозиции состояний в состояние компонента. Процесс также известен как коллапс волновой функции или коллапс квантовых состояний.

Квантовая механическая система может рассматриваться как вектор (или «состояние») в пространстве состояний. Учитывая свойство этой системы, в пространстве состояний будут присутствовать векторы, которые будут отличаться рассматриваемым свойством, имеющим определенные значения.

Например, квантовая частица в коробке* имеет доступ только к очень специфическим энергетическим уровням (в отличие от классической частицы, которая может иметь любое положительное значение для своей энергии), и с каждым из этих энергетических уровней связано другое состояние.

Точно так же электрон в атоме водорода имеет доступ к определенным дискретным энергетическим уровням. С каждым состоянием связана волновая функция. Из волновой функции можно определить вероятность того, что измерение, выполненное в системе, даст конкретный результат.

Противоинтуитивным свойством квантовых систем является то, что каждое состояние может быть выражено как линейная комбинация других состояний (это известно как «суперпозиция» других состояний). Учитывая достаточно большое количество состояний, любое другое состояние может быть выражено как суперпозиция исходных состояний. Хорошо известной иллюстрацией суперпозиции является кот Шредингера.

Когда выполняется измерение свойства, система «сворачивается» (коллапсирует) в одно из состояний с определенным значением для этого свойства, и наблюдается измерение, соответствующее этому конкретному состоянию. Например, система в суперпозиции состояний 1, 3, 5 и 6 может коллапсировать до состояния 3. Вероятность коллапса в данное состояние определяется волновой функцией системы до коллапса.

Обратите внимание, что на самом деле суперпозиция состояний никогда не наблюдается, так как в момент измерения система переходит в одно состояние. Суперпозиция может быть интерпретирована как описание потенциальных результатов измерений, в то время как состояние системы после коллапса является фактическим реализованным результатом.

Таким образом, коллапс можно определить как переход между потенциальным и фактическим. Однако ситуация немного сложнее, поскольку то, является ли что-то «суперпозицией» состояний или «чистым» состоянием, зависит от измеряемого свойства.

Состояние с четко определенным положением будет суперпозицией состояний с четко определенным импульсом, а состояние с четко определенным импульсом будет суперпозицией состояний с четко определенным положением (тот факт, что ни одно состояние не имеет оба четко определенных связано с принципом неопределенности Гейзенберга).

Для наглядности предположим, что у нас есть гипотетическая квантовая система с несколькими состояниями с четко определенным импульсом. Эти состояния можно представить с помощью 1, 2, 3, 4 и т. д.

Теперь предположим, что система находится в суперпозиции состояний 1, 5 и 6. Теперь предположим, что мы хотим измерить ее импульс. В тот момент, когда мы проводим измерение, система падает до одного из базовых состояний.

Если она сворачивается до 1, мы измеряем значение для импульса, связанного с состоянием 1. Если вместо этого она коллапсирует до 5, мы измеряем значение для импульса, связанного с состоянием 5. То же самое верно, если система коллапсирует до состояния 6.

Интерпретации

Характер процесса коллапса вызывает некоторые интересные вопросы: что вызывает коллапс и когда он происходит? Было предложено несколько ответов на эти вопросы, каждый из которых по-разному интерпретирует процесс.

Основная интерпретация, принятая большинством физиков, называется копенгагенской интерпретацией. Это свободный термин, описывающий совокупность связанных взглядов, которые сформировались в Копенгагене в результате дискуссий среди пионеров квантовой механики.

Основное мнение состоит в том, что волнообразное вероятностное поведение частиц «разрушается» при наблюдении. В нем предлагается, чтобы суперпозиции состояний воспринимались чрезвычайно буквально и волновая функция была не более чем абстрактной концепцией, которая просто отражает нашу неопределенность и недостаток знаний до наблюдения.

Лучше всего это иллюстрируется мысленными экспериментами, такими как кот Шредингера, в которой кот считается одновременно мертвым и живым, пока его не наблюдают.

Существует также множественная интерпретация, в которой все возможные результаты происходят через несколько «расщеплений» Вселенной. Она пытается уклониться от концепции коллапса. В ней говорится, что вместо строгого «коллапса» волновой функции в одно состояние все возможные результаты происходят при выполнении измерения.

Просто вселенная «расщепляется» для каждого возможного результата, и каждый уникальный результат присваивается другой вселенной. Если для измерения есть два возможных результата ( A и B), то вселенная делится на две части: одна — в которой происходит результат A, а в другая — в случае B.

Конечно, это предполагает, что число вселенных с такой чертой, как «ядерная катастрофа», само по себе будет почти бесконечным; и если вам интересно, «что бы произошло», если бы случился апокалипсис, то модель многих миров не могла бы дать вам более четкий ответ, чем «все, что возможно, могло бы произойти, если позволят квантовые состояния».

*В квантовой механике частица в коробке описывает частицу, свободно перемещающуюся в небольшом пространстве, окруженном непроницаемыми барьерами. Модель в основном используется в качестве гипотетического примера для иллюстрации различий между классическими и квантовыми системами.

Источник

Коллапс гравитационный

Гравитационный колла́пс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звёзд с массой свыше трёх солнечных масс. После исчерпания в таких звёздах ядерного расщепляющегося материала они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационный коллапс, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Однако если радиус звезды уменьшился до значения гравитационного радиуса, то коллапс продолжается до её превращения в чёрную дыру.

Смотреть что такое «Коллапс гравитационный» в других словарях:

КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ — см. Гравитационный коллапс … Большой Энциклопедический словарь

коллапс гравитационный — см. Гравитационный коллапс. * * * КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ, см. Гравитационный коллапс (см. ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС) … Энциклопедический словарь

КОЛЛАПС ГРАВИТАЦИОННЫЙ — см. Гравитационный коллапс … Естествознание. Энциклопедический словарь

Коллапс гравитационный — (в астрономии) катастрофически быстрое сжатие звезды под действием сил тяготения (гравитации). Согласно существующим астрономическим представлениям, К. г. играет определяющую роль на поздних стадиях эволюции массивных звезд. В течение… … Большая советская энциклопедия

Гравитационный коллапс — Модель механизма гравитационного коллапса Гравитационный коллапс катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным к … Википедия

Гравитационный коллапс — см. Коллапс гравитационный … Большая советская энциклопедия

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звездах ядерного горючего они теряют свою… … Большой Энциклопедический словарь

КОЛЛАПС — [лат. collapsus упавший] 1) мед. внезапно наступившая сосудистая недостаточность, характеризующаяся резким падением кровяного давления; 2) физ., астр. катастрофическое сжатие массивной звезды под воздействием сил тяготения после исчерпания в ее… … Словарь иностранных слов русского языка

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС — процесс гидродинамич. сжатия тела под действием собств. сил тяготения. Этот процесс в природе возможен только у достаточно массивных тел, в частности у звёзд. Необходимое условие Г. к. понижение упругости в ва внутри звезды, к рое приводит к… … Физическая энциклопедия

ГРАВИТАЦИОННЫЙ РАДИУС — в общей теории относительности (см. ТЯГОТЕНИЕ) радиус сферы, на к рой сила тяготения, создаваемая сферической, невращающейся массой m, целиком лежащей внутри этой сферы, стремится к бесконечности. Г. p. (rg) определяется массой тела : rg= 2Gm/c2 … Физическая энциклопедия

Источник

Как умирают самые массивные звёзды: сверхновая, гиперновая или прямой коллапс?

Иллюстрация процесса взрыва сверхновой, наблюдаемой с Земли в XVII веке в созвездии Кассиопея. Окружающий её материал и постоянное испускание электромагнитного излучения сыграли свою роль в непрерывной подсветке остатков звезды

Создайте достаточно массивную звезду, и она не закончит свои дни тихонечко — так, как это предстоит нашему Солнцу, которое сначала будет плавно гореть миллиарды и миллиарды лет, а затем сожмётся до белого карлика. Вместо этого её ядро схлопнется, и запустит неконтролируемую реакцию синтеза, которая разметает внешние слои звезды во взрыве сверхновой, а внутренние части сожмёт в нейтронную звезду или чёрную дыру. По крайней мере, так принято считать. Но если вы возьмёте достаточно массивную звезду, сверхновой может и не получиться. Вместо этого есть другая возможность – прямое схлопывание, в котором вся звезда просто исчезает, превращаясь в чёрную дыру. А ещё одна возможность известна, как гиперновая — она гораздо более энергетическая и яркая, чем сверхновая, и не оставляет за собой остатков ядра. Каким же образом закончат свою жизнь самые массивные звёзды? Вот, что говорит об этом наука.

Туманность из остатков сверхновой W49B, всё ещё видимая в рентгеновском диапазоне, а также на радио- и инфракрасных волнах. Звезда должна превышать Солнце по массе хотя бы в 8-10 раз, чтобы породить сверхновую и создать необходимые для появления во Вселенной таких планет, как Земля, тяжёлые элементы.

Ультрамассивная звезда WR 124 (звезда класса Вольфа-Райе) с окружающей её туманностью – одна из тысяч звёзд Млечного Пути, способная стать следующей сверхновой. Она также гораздо больше и массивнее тех звёзд, что можно создать во Вселенной, содержащей лишь водород и гелий, и уже может находиться на этапе сжигания углерода.

Если звезда будет настолько массивной, то её ждёт настоящий космический фейерверк. В отличие от солнцеподобных звёзд, нежно срывающих свои верхние слои, из которых формируется планетарная туманность, и сжимающихся до белого карлика, богатого углеродом и кислородом, или до красного карлика, который никогда не достигнет этапа сжигания гелия, и просто сожмётся до богатого гелием белого карлика, наиболее массивным звёздам уготован настоящий катаклизм. Чаще всего, особенно у звёзд с не самой большой массой (≈ 20 солнечных масс и меньше), температура ядра продолжает повышаться, пока процесс синтеза переходит на более тяжёлые элементы: от углерода к кислороду и/или неону, и затем далее, по периодической таблице, к магнию, кремнию, сере, приходя в итоге к железу, кобальту и никелю. Синтез дальнейших элементов потребовал бы больше энергии, чем выделяется при реакции, поэтому ядро схлопывается и появляется сверхновая.

Анатомия сверхмассивной звезды в течение её жизни, заканчивающейся сверхновой II типа

Это очень яркий и красочный конец, настигающий множество массивных звёзд во Вселенной. Из всех появившихся в ней звёзд лишь 1% обретают достаточную массу, чтобы дойти до такого состояния. При повышении массы количество звёзд, достигших её, уменьшается. Порядка 80% всех звёзд во Вселенной – красные карлики; масса 40% их них не превышает массы Солнца. При этом Солнце массивнее 95% звёзд во Вселенной. В ночном небе полно очень ярких звёзд: тех, что легче всего увидеть человеку. Но за порогом нижнего ограничения для появления сверхновой существуют звёзды, превышающие Солнце по массе в десятки и даже сотни раз. Они очень редки, но весьма важны для космоса – всё потому, что массивные звёзды могут закончить своё существование не только в виде сверхновой.

Туманность Пузырь находится на задворках останков сверхновой, появившейся тысячи лет назад. Если удалённые сверхновые находятся в более пыльном окружении, чем их современные двойники, это потребует коррекции нашего сегодняшнего понимания тёмной энергии

Во-первых, у многих массивных звёзд имеются истекающие потоки и выброшенный наружу материал. Со временем, когда они приближаются либо к концу своей жизни, либо к концу одного из этапов синтеза, что-то заставляет ядро на короткое время сжаться, из-за чего оно разогревается. Когда ядро становится горячее, скорость всех типов ядерных реакций увеличивается, что ведёт к быстрому увеличению количества энергии, создаваемому в ядре звезды. Это увеличение энергии может сбрасывать большое количество массы, порождая явление, известное, как псевдосверхновая: происходит вспышка ярче любой нормальной звезды, и теряется масса в количестве до десяти солнечных. Звезда Эта Киля (ниже) стала псевдосверхновой в XIX веке, но внутри созданной ею туманности она всё ещё горит, ожидая финальной участи.

Псевдосверхновая XIX века явила себя в виде гигантского взрыва, выбросив материала на несколько солнц в межзвёздное пространство от Эты Киля. Такие звёзды большой массы в богатых металлами галактиках (как, например, наша), выбрасывают существенную долю своей массы, чем отличаются от звёзд в меньших по размеру галактиках, содержащих меньше металлов

Так какова же конечная судьба звёзд, массой более чем в 20 раз превышающих наше Солнце? У них есть три возможности, и мы ещё не полностью уверены в том, какие именно условия приводят к развитию каждой из трёх. Одна из них – сверхновая, которые мы уже обсудили. Любая ультрамассивная звезда, теряющая достаточно много своей массы, может превратиться в сверхновую, если её масса внезапно попадёт в правильные пределы. Но существуют ещё два промежутка масс – и опять-таки, мы точно не знаем, какие именно это массы – позволяющие произойти двум другим событиям. Оба этих события определённо существуют – мы уже их наблюдали.

Фотографии в видимом и близком к инфракрасному свете с Хаббла демонстрируют массивную звезду, примерно в 25 раз превышающую Солнце по массе, внезапно исчезнувшую, и не оставившую ни сверхновой, ни какого-то другого объяснения. Единственным разумным объяснением будет прямой коллапс.

Чёрные дыры прямого коллапса. Когда звезда превращается в сверхновую, её ядро схлопывается, и может стать либо нейтронной звездой, либо чёрной дырой – в зависимости от массы. Но только в прошлом году, впервые, астрономы наблюдали, как звезда массой в 25 солнечных просто исчезла. Звёзды не исчезают бесследно, но тому, что могло произойти, существует физическое объяснение: ядро звезды прекратило создавать достаточное давление излучения, уравновешивавшее гравитационное сжатие. Если центральный регион становится достаточно плотным, то есть, если достаточно большая масса оказывается сжатой в достаточно малый объём, формируется горизонт событий и возникает чёрная дыра. А после появления чёрной дыры всё остальное просто втягивается внутрь.

Одно из множества скоплений в этом регионе подсвечивается массивными, короткоживущими голубыми звёздами. Всего за 10 миллионов лет большая часть из наиболее массивных звёзд взорвётся, став сверхновыми II типа – или просто испытает прямой коллапс

Теоретическую возможность прямого коллапса предсказывали для очень массивных звёзд, более 200-250 солнечных масс. Но недавнее исчезновение звезды такой относительно малой массы поставило теорию под вопрос. Возможно, мы не так хорошо понимаем внутренние процессы звёздных ядер, как считали, и, возможно, у звезды есть несколько способов просто схлопнуться целиком и исчезнуть, не сбрасывая какого-то ощутимого количества массы. В таком случае формирование чёрных дыр через прямой коллапс может быть гораздо более частым явлением, чем считалось, и это может быть весьма удобным для Вселенной способом создания сверхмассивных чёрных дыр на самых ранних стадиях развития. Но существует и другой итог, совершенно противоположный: световое шоу, гораздо более красочное, чем сверхновая.

При определённых условиях звезда может взорваться так, что не оставит ничего после себя!

Взрыв гиперновой. Также известен, как сверхъяркая сверхновая. Такие события бывают гораздо более яркими и дают совсем другие световые кривые (последовательность повышения и понижения яркости), чем любые сверхновые. Ведущее объяснение явления известно, как «парно-нестабильная сверхновая». Когда большая масса – в сотни, тысячи и даже многие миллионы раз больше массы всей нашей планеты – схлопывается в небольшой объём, выделяется огромное количество энергии. Теоретически, если звезда будет достаточно массивной, порядка 100 солнечных масс, выделяемая ею энергия окажется такой большой, что отдельные фотоны могут начать превращаться в электрон-позитронные пары. С электронами всё ясно, а вот позитроны – это их двойники из антиматерии, и у них есть свои особенности.

На диаграмме показан процесс производства пар, который, как считают астрономы, привёл к появлению гиперновой SN 2006gy. При появлении фотонов достаточно высокой энергии появятся и электрон-позитронные пары, из-за чего упадёт давление и начнётся неуправляемая реакция, уничтожающая звезду

Это значит, что для сверхмассивной звезды есть четыре варианта развития событий:

При изучении очень массивной звезды появляется искушение предположить, что она станет сверхновой, после чего останется чёрная дыра или нейтронная звезда. Но на самом деле есть ещё два возможных варианта развитии событий, которые уже наблюдали, и которые происходят довольно часто по космическим меркам. Учёные всё ещё работают над пониманием того, когда и при каких условиях происходит каждое из этих событий, но они на самом деле происходят. В следующий раз, рассматривая звезду, во много раз превосходящую Солнце по массе и размеру, не думайте, что сверхновая станет неизбежным итогом. В таких объектах остаётся ещё много жизни, и много вариантов их гибели. Мы знаем, что наша наблюдаемая Вселенная началась со взрыва. В случае наиболее массивных звёзд мы пока ещё не уверены, закончат ли они свою жизнь взрывом, уничтожив себя целиком, или же тихим коллапсом, полностью сжавшись в гравитационную бездну пустоты.

Источник

Один из главных парадоксов квантовой физики, возможно, потерял своё основное объяснение

Гравитация вряд ли может быть причиной квантового коллапса, предполагает эксперимент в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии.

Одно из «странных» положений квантовой теории утверждает, что объект (атом, элементарная частица, кот Шрёдингера и пр.) может находиться сразу в двух местах, но мы видим его только в одном из них. В учебниках говорится, что в момент наблюдения «волновая функция частицы коллапсирует» так, что частица появляется случайно только в одном из допустимых состояний. Физики спорят о причинах, по которым это происходит (если это действительно так). И вот одно из самых правдоподобных объяснений механизма квантового коллапса — виновата гравитация — потерпело неудачу.

Гравитационная гипотеза появилась благодаря венгерским физикам Карольхази Фригиесу (Károlyházy Frigyes) и Лайошу Диоси (Lajos Diósi) в 1960—1980-х годах. Основная её идея заключается в том, что гравитационное поле любого объекта находится вне рамок квантовой теории. Оно сопротивляется помещению объекта в «неестественные» комбинации разных состояний, или «суперпозиции». Таким образом, если частица должна быть и здесь, и там, то гравитационное поле пытается сделать то же самое — но поле не может долго противостоять напряжению, оно рушится и уносит частицу в одну из точек.

Известный математик Оксфордского университета (University of Oxford) Роджер Пенроуз (Roger Penrose) выступил в поддержку этой гипотезы в конце 1980-х годов, потому что, по его словам, она устраняет антропоцентрическое представление о том, что само наблюдение каким-то образом приводит к коллапсу волновой функции. «Это происходит по законам физики, но не потому, что кто-то за этим наблюдает».

В классической механике состояние объекта описывается заданием его положения и скорости, которые могут изменяться со временем под действием сил в соответствии с законами Ньютона. Основной объект квантовой механики — это ψ(x), связанная с вероятностью нахождения объекта в точке x. Для её определения используется — линейное дифференциальное уравнение, описывающее эволюцию этой функции со временем, тоже под действием всевозможных внешних воздействий. Отсюда следует сразу несколько «парадоксов», противоречащих ньютоновской картине мира классической физики. Во-первых, частица уже не находится в конкретной точке, а может находиться в любом месте пространства, только с разной вероятностью (может быть, пренебрежимо маленькой). Во-вторых, волновые функции могут складываться — это и есть «принцип суперпозиции состояний». На классическом уровне это звучит странно. Иногда в этом месте приводят мысленный эксперимент с котом Шрёдингера, который может находиться в коробке в «суперпозиции» двух состояний (живого и мёртвого кота). Но для иллюстрации идей Пенроуза и Диоси мы видоизменим «эксперимент Шрёдингера»: пусть есть две коробки, и мы не знаем, в какой из них находится кот. Квантовое состояние системы — суперпозиция двух состояний: «кот слева» и «кот справа». Вместо кота, разумеется, подразумевается электрон или другая элементарная частица, которая, рождаясь в каком-либо ядерном процессе, может полететь в разных направлениях и действительно оказаться в разных «коробках». Такие состояния в виде суперпозиции исключающих друг друга ситуаций физики иногда даже называют «кошачьими состояниями» (cat state).

Коты иллюстрируют разные парадоксы квантовой механики.

Обычно этот парадокс объясняют в рамках «субъективистской» интерпретации квантовой механики: в понятии «квантовое состояние» содержится не только «объективное», не зависящее от наблюдателя состояние природы, но и наши знания о нём. В примере с ящиками и котами: до тех пор, пока мы не откроем ящик (произведём акт измерения), мы не знаем и не имеем возможности узнать местонахождение кота, что выглядит логичным. В момент измерения происходит — теперь мы точно знаем, где кот. Квантовая волновая функция в этой интерпретации всего лишь отражает этот факт, «кодируя» не только состояние природы, но и нашу «меру незнания». Это — одна из нескольких распространённых интерпретаций квантовой механики, и её вполне достаточно для изучения и для работы в этой области.

Но такое объяснение противоречит картине мира классической физики, общепринятой со времени Галилея и Ньютона, в которой наблюдатель должен быть отделён от объекта наблюдения. Поэтому квантовая механика так «контринтуитивна». В других интерпретациях пытаются нащупать её «объективную» основу, исключив наблюдателя из схемы. В этих рамках проблема коллапса волновой функции — объективное явление, требующее отдельного объяснения.

Модель Пенроуза предлагает «объективистское» разрешение парадокса. В качестве решающего фактора, объясняющего коллапс суперпозиции состояний, она, вслед за идеями Ричарда Фейнмана, рассматривает силу притяжения. Гравитационное взаимодействие намного слабее трёх других взаимодействий (электромагнитного, сильного и слабого) и на уровне атомов и молекул практически неощутимо. Однако его роль возрастает, когда мы переходим к макроскопическим телам. Квантовая теория гравитации пока что в самом начале развития как наука, и сила притяжения находится вне области квантовой механики. Предполагается, что с адекватным учётом сил притяжения квантовомеханический принцип линейной суперпозиции состояний (основной постулат квантовой механики) должен как минимум претерпеть изменения.

Согласно Общей теории относительности, гравитация проявляется как искривление пространства-времени в месте нахождения массивного тела. В схеме Пенроуза—Диоси предполагается, что если система подготовлена в виде суперпозиции двух квантовых состояний с разной пространственной локализацией массивной частицы, это влечёт за собой суперпозицию соответствующих искривлений пространства-времени, как на этой схеме из работы.

Модель гравитационного коллапса волновой функции для суперпозиции квантовых состояний (схема Диоси-Пенроуза, DP) и возникновение избыточного излучения за счёт броуновского движения частиц. Donadi et al., Nat. Phys. (2020).

Однако такая суперпозиция искривлённых участков пространства-времени, по Пенроузу и Диоси, является неустойчивой и стремится к коллапсу. Они дали независимые оценки характерных времён коллапса таких суперпозиций состояний массивных частиц из-за искривления пространства-времени. Интуитивно понятно, что чем больше масса частиц и меньше расстояние между ними, тем меньше это время распада состояния. Например (это предложенная в одной из работ Пенроуза экспериментальная схема): при массах порядка 10 −12 кг и разумных атомных расстояниях между частицами такие времена должны измеряться миллисекундами, что вполне измеримо. Но для обычных масс молекул (10 −25 кг) характерные значения находятся далеко за пределами экспериментальных возможностей. Работы в этом направлении, в том числе экспериментальные, сегодня ведутся и рассматриваются различные варианты создания квантовых гравитационно-взаимодействующих систем — например, использование макромолекул, ухищрения с состояниями фононов (коллективных колебаний атомов в решётке кристалла) и пр.

Тем не менее, пока что гипотезу было невозможно проверить с помощью какой-либо реалистичной технологии, отмечает Диоси, в настоящее время работающий в Исследовательском центре Wigner и являющийся соавтором нового исследования. «В моей стране меня в течение 30 лет постоянно критиковали за то, что я рассуждал о чём-то совершенно недоказуемом».

Новые методы делают доказательство возможным. В новом исследовании Диоси и другие учёные пытались выяснить один из тех многих способов, будь то гравитация или какой-то другой механизм, с помощью которых квантовый коллапс проявляется. Авторы работы, недавно вышедшей в Nature Physics, предложили косвенные способы измерения предполагаемого эффекта «гравитационного коллапса» квантового состояния. Используется то, что такой эффект должен привести к дополнительному хаотическому перемещению, то есть броуновскому движению частиц, которое можно зафиксировать разными способами. В частности, при этом должно выделяться дополнительное тепло, и этот нагрев можно теоретически оценить и измерить. Другой способ, использованный в работе, заключается в том, что если частицы обладают электрическим зарядом, то их ускоренное движение должно вызвать дополнительное электромагнитное излучение (как в рентгеновской трубке).

Для проверки этой идеи использовался детектор из кристалла германия в виде цилиндра размерами около 8 см. Цель эксперимента заключалась в поиске избыточного рентгеновского и гамма-излучения протонов в ядрах германия, которое создает электрические импульсы в материале. Именно эта часть спектра в условиях эксперимента позволяет добиться максимального усиления эффекта. Кристалл германия поместили в свинцовую оболочку и расположили эту экспериментальную установку на глубине 1,4 километра под землёй в Национальной лаборатории Гран Сассо (Gran Sasso National Laboratory) в центральной Италии для защиты от других источников излучения, прежде всего от космических лучей. Таким образом, единственным неустранимым источником радиации, вклад от которого можно учесть независимо, остаются радиоактивные элементы в горной породе, окружающей установку. За два месяца в 2014 и 2015 годах было зафиксировано 576 фотонов, что близко к среднему значению 506, которое ожидалось от естественной радиоактивности в данном окружении.

Экспериментальная установка для измерения спонтанного излучения атомов германия (на схеме — зелёный цилиндр размерами ок. 8 см, экранированный медной и свинцовой оболочкой). Donadi et al., Nat. Phys. (2020).

Для сравнения, модель Пенроуза предсказала 70 000 таких фотонов. «Мы должны были увидеть следствия квантового коллапса в эксперименте с германием, но не видим», — говорит соавторица исследования Каталина Курчану (Cătălina Curceanu), сотрудница римского Национального института ядерной физики (National Institute for Nuclear Physics). Это говорит о том, что гравитация, видимо, не выталкивает частицы из их квантовых суперпозиций (эксперимент также ограничивал, хотя и не исключал, механизмы коллапса, не связанные с гравитацией).

Чтобы подтвердить результат, необходимо конструировать суперпозиции состояний непосредственно, а не полагаться на случайные природные явления, говорит Иветта Фуэнтес (Ivette Fuentes), сотрудница Саутгемптонского университета (University of Southampto): «В принципе, нужно учиться создавать суперпозиции квантовых состояний из массивных частиц. И мы работаем в этом направлении». Она говорит, что её команда работает над созданием облаков из 100 миллионов атомов натрия при температуре чуть выше абсолютного нуля.

Несмотря на то, что сам Пенроуз хорошо отозвался о новой работе, он считает, что на самом деле его гипотезу проверить малореально. Он говорит, что никогда не был доволен моделью с хаотическими колебаниями частиц при разрушении квантовой суперпозиции, потому что из неё следует, что Вселенная получает или отдаёт энергию в нарушение основного физического принципа (сохранения энергии). Во время карантина он работал над созданием новой улучшенной модели. «В ней не происходит ни нагревания, ни излучения», — говорит он. В этом случае гравитация может вызвать коллапс, но её следы не так заметны.

Другие факторы, такие как взаимодействие между протонами и электронами в германии, также могут скрывать искомый полезный сигнал из-за действия гравитации, говорит физик-теоретик Маанели Дерахшани (Maaneli Derakhshani) из Университета Ратгерса (Rutgers University) в Нью-Брансуике. В целом, по его словам, если гравитация действительно вызывает коллапс квантовой суперпозиции, процесс должен быть сложнее механизма, который первоначально предположил Пенроуз. «Можно с полным основанием утверждать, что игра не стоит свеч».

Источник