Революция восприятия: как квантовые системы отсчета меняют наше представление о реальности

Теории о гравитации и суперпозиции обретают новое значение.

Представьте, что вы стоите на железнодорожной платформе и наблюдаете за движущейся тележкой. Девочка на тележке роняет яркий красный мяч. С её точки зрения мяч падает прямо вниз, но с платформы кажется, что мяч описывает дугу, прежде чем достичь пола тележки. Это событие воспринимается по-разному из двух систем отсчета: одной, связанной с тележкой, и другой — с платформой.

Системы отсчета играли важную роль в классической физике, начиная с работ Галилея, Ньютона и Эйнштейна. Они позволяют определять положения и времена относительно выбранной точки отсчета. Эйнштейн использовал этот концепт для своих теорий относительности, показывая, что пространство и время — это не статические декорации, а динамичные сущности, которые могут изменять свои свойства.

В квантовой механике системы отсчета долгое время оставались на периферии исследований. В большинстве экспериментов принято считать, что наблюдатели, даже находясь в разных местах, используют общую систему отсчета. Однако новые исследования показывают, что системы отсчета в квантовом мире сами могут находиться в состоянии неопределенности. Например, система отсчета, связанная с одним объектом, может быть в нескольких местах одновременно, а измерения времени могут зависеть от квантовой неопределенности.

Как отметил Ренато Реннер , теоретический физик из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, в квантовом мире системы отсчета должны описываться формализмом квантовой теории. В недавней работе физик Часлав Брукнер из Института квантовой оптики и квантовой информации при Венском университете вместе с коллегами показал, что квантовые системы отсчета меняют взгляд на такие феномены, как суперпозиция и запутанность. Эти исследования позволяют предположить, что квантовые системы отсчета могут помочь разрешить некоторые парадоксы, возникающие в квантовых мысленных экспериментах.

Более того, исследователи надеются, что изучение квантовых систем отсчета поможет приблизиться к пониманию квантовой гравитации — области, которая стремится объединить гравитацию с другими фундаментальными взаимодействиями.

Концепция квантовых систем отсчета была впервые представлена в 1984 году, но её переосмысление началось около 2019 года, что спровоцировало всплеск исследований. Эти работы меняют представление о таких фундаментальных свойствах, как суперпозиция (где объект может находиться в нескольких состояниях одновременно) и запутанность (где частицы разделяют общее состояние, а измерение одной моментально определяет состояние другой, независимо от расстояния).

Например, если одна система отсчета привязана к квантовому объекту с неопределённым местоположением, то с точки зрения другой системы отсчета первое местоположение будет выглядеть размазанным. Если обе системы отсчета связаны с объектами в суперпозиции, их состояния оказываются взаимосвязанными через запутанность.

Это также касается порядка событий. Событие, которое в одной системе отсчета происходит раньше, в другой может быть в состоянии суперпозиции, где оно происходит и раньше, и позже другого события. Всё зависит от выбранной системы отсчета.

Эти открытия имеют значение для исследования гравитации. В общей теории относительности Эйнштейна гравитация описывается как искривление пространства-времени массивным объектом. Но что происходит, если сам объект находится в состоянии суперпозиции? По словам Виктории Кабель из группы Брукнера, переход к системе отсчета, связанной с суперпозицией, позволяет точно определить положение объекта и рассчитать его гравитационное поле, что упрощает задачу.

Эти подходы могут быть полезны для экспериментов с малыми массами в состоянии суперпозиции. Например, физики Кьяра Марлетто и Влатко Ведрал из Оксфорда предложили изучать, как суперпозиция двух масс влияет на их гравитационные поля. Это важный шаг к разработке теории квантовой гравитации.

Однако концепция квантовых систем отсчета всё ещё вызывает споры. Пока отсутствуют стандартные методы их определения и перевода между ними. Тем не менее, эти исследования могут стать ключом к пониманию фундаментальных законов природы.