Харесва ни да мислим, че нещата съществуват, дори когато не ги виждаме. Но това убеждение може да бъде опровергано благодарение на тест, който има за цел да ни покаже дали квантовите странности се запазват в макроскопичните обекти.

Има един стар философски въпрос за дървото в гората. "Чува ли се звук, ако дърво падне в гората и наблизо няма никой да го чуе?" Ако попитате квантов физик, той би казал, че звукът е там, но не може да сте сигурни, че дървото е там.

Квантовата механика отдавна е разширила границите на нашето разбиране за реалността в нейните най-малки измерения. Безброй експерименти са показали, че частиците се разпространяват като вълни например или изглежда, че се намират на повече от едно място едновременно. В квантовия свят можем да знаем само вероятността нещо да се появи на едно или друго място - докато не го погледнем, тогава то заема определена позиция. Това притеснява Алберт Айнщайн. "Харесва ми да мисля, че Луната е там, дори и да не я гледам", казва той.

Сега нов клас експерименти подлагат на изпитание убеждението на Айнщайн, проверявайки дали квантовите странности се разпростират отвъд малкия свят на кварките, атомите и кубитите в ежедневния свят на масите, столовете и луните. "Ако може да се премине от един атом към два атома, от три към четири, от пет към хиляда, има ли някаква причина това да спре?" - пита Джонатан Халиуел (Jonathan Halliwell) от Имперския колеж в Лондон.

Тези експерименти не само изследват дали съществува твърда граница между квантовия и класическия свят, но и проучват истинската природа на реалността. Ако работата протече според очакванията на някои теоретици, тя може би ще подкопае едно от най-твърдите ни убеждения: че нещата съществуват независимо дали ги гледаме.

През 1935 г. Айнщайн предлага мисловен експеримент, който има за цел да разкрие, че квантовата механика е непълна теория на реалността, която рано или късно трябва да бъде заменена. Заедно с колегите си Борис Подолски и Нейтън Розен той си представя двойка частици, вплетени една в друга, така че каквото и да направите с едната, то веднага се отразява на другата. Измерването, да речем, на позицията или скоростта на едната частица ще разкрие позицията или скоростта на другата, без да се налага да се измерва. Сега си представете, че поставите тези частици в противоположните краища на Вселената и извършите същото измерване. На пръв поглед изглежда, че информацията между частиците се предава по-бързо от скоростта на светлината.

Айнщайн твърди, че това "призрачно действие на разстояние" е толкова абсурдно, че резултатът от всички експерименти с вплитането трябва да е предварително определен. Физикът Джон Бел също не е бил доволен от недобре дефинирания характер на квантовата механика. През 1964 г. той разработва математически начин за проверка на този парадокс, наречен неравенство на Бел. Ако Айнщайн и колегите му са били прави, тогава неравенството на Бел ще бъде изпълнено.

Експериментите отново и отново показват, че неравенството на Бел е нарушено. Ако настоявате, че реалността се държи класически, за разлика от квантовия начин, тогава, за да обясните вплитането и нарушаването на неравенството на Бел, "трябва да приемете, че нещо се случва по-бързо от скоростта на светлината", обяснява Влатко Ведрал (Vlatko Vedral) от Оксфордския университет. Изберете си, Айнщайн: квантовата странност е реална или информацията нарушава универсалното ограничение на скоростта в пространството.

Но това е само част от историята. Неравенството на Бел разглежда локалността - идеята, че пространството между обектите има значение. То не дава отговор на въпроса дали луната е там, когато не я виждате. Реализмът казва, че позицията, скоростта, енергията и други свойства на частиците могат да бъдат сравнително добре дефинирани и извършването на измерване на даден обект не би трябвало да повлияе на това, което обектът прави в бъдеще. За сметка на това квантовата механика добавя неопределеност и суперпозиции - смеси от много възможни идентичности, които при измерване се разпадат в една стойност.

Реализмът при макроскопичните обекти се нарича, естествено, макрореализъм. Когато гледате Луната или измервате с лазер колко далеч е тя, не я променяте - поне не според здравомислещата ни представа за света. "Макрореализмът е най-пълният израз на класическата реалност", посочва Халиуел. И подобно на неравенството на Бел, за него има тест.

Проверка на реалността

Неравенството на Легет-Гарг (The Leggett-Garg inequality), разработено през 1985 г. от Антъни Легет и Анупам Гарг, също търси корелации между измерванията, за да се види дали спазват квантови или класически правила. Но вместо с две частици, разделени в пространството, както неравенството на Бел, то се занимава с един обект във времето. Благодарение на това Легет и Гарг осъзнават, че теоретично могат да проверят квантовостта на много големи обекти. С други думи, тяхното неравенство може да ни покаже дали реализмът е в сила във всекидневния свят.

През последните години са проведени първите експерименти на Легет-Гарг върху прости квантови системи - от свръхпроводими течности и фотони до атомни ядра и малки кристали. Те за пореден път демонстрират, че микроскопичният свят е нереален. Трикът при експериментите на Легет-Гарг се състои в това да се гарантира, че те са неинвазивни, което означава, че трябва да има начин за измерване на частицата, без да се нарушава нейното равновесие. Това не е лесно, но може да се направи. И във всеки случай изследователите откриват, че при всяко неинвазивно измерване, което могат да направят, системата е в суперпозиция от състояния.

Сега е време да се тества нещо по-голямо.

"Всичко се свежда до това да видим докъде можем да стигнем", коментира Урбаси Синха (Urbasi Sinha) от Изследователския институт "Раман" в Индия. "Ние наистина не знаем."

Най-големите неща, за които в момента е известно, че се държат по квантов начин, са наблюдавани от Маркус Арндт (Markus Arndt) и неговите колеги от Виенския университет, Австрия, които са извършвали друг вид експеримент. През 2020 г. те използват инсталация с двоен процеп, като пропускат обектите през процепа един по един, за да видят дали се държат като вълни, образувайки интерференчни картини, за да покажат, че протеините се подчиняват на квантовите правила.

Този подход има своите проблеми. Когато работите с големи, сложни обекти, тяхната квантова способност бързо изчезва в резултат на взаимодействието със заобикалящата среда - явление, наречено декохерентност. Квантовите състояния са крехки. Те лесно се разрушават при обстрел от газови молекули, заблудени фотони светлина и дори деликатни електрически и магнитни полета.

"Всеки квантов обект може да се държи класически, ако не го третирате правилно", обяснява Киара Марлето (Chiara Marletto) от Оксфордския университет.

Това е особено притеснително за експериментите с двойни процепи, тъй като е необходимо много време за изграждане на интерференчния модел на двойния процеп - време, в което декохерентността може да се развихри.

Експериментите на Легет-Гарг са също толкова трудни. Те имат свои собствени източници на декохерентност, но изследователите трябва да намерят и начини да измерят системата, без да я смущават. Само по този начин може да се каже със сигурност дали обектът се намира в квантова суперпозиция или не.

"Трябва да се направи измерването по интелигентен начин", казва Синха. "Опитвате се да измерите нещо, но от друга страна, трябва да сте сигурни, че актът на измерване не оставя никаква инвазивна следа."

Невъзможно е да се пренесат повечето квантови системи - които се движат на дискретни стъпки - в класическия свят, където движението е непрекъснато. Това затруднява изследването на квантови обекти и неща, които обикновено се смятат за класически, в един и същи експеримент. Но Сугато Бозе (Sougato Bose), теоретик от Университетския колеж в Лондон, предлага да се използва експериментална система, която може да намери границата между класическия и квантовия свят.

Устройството, което той има предвид, е прост хармоничен осцилатор, включващ обект, затворен в контейнер, който се движи напред-назад като махало. Точният начин, по който той се колебае, зависи от това дали се подчинява на квантови или на класически правила. И тъй като теоретично няма ограничение за това колко голям може да бъде един прост хармоничен осцилатор, Бозе и неговите сътрудници се надяват да го използват, за да направят скок в макроскопичния свят - използвайки нанокристал, 100 000 пъти по-масивен от обектите, тествани от екипа на Арндт.

За целта идеята на изследователите е да се опитват да намерят люлеещия се нанокристал, когато очакват той да бъде точно в средата на осцилатора, на границата между ляво и дясно (вж. схемата горе).

"Не го наблюдаваме, а след това внезапно правим моментно наблюдение", казва Бозе.

Но от решаващо значение е, че детекторът ще може да вижда само едната половина на осцилатора. Ако той види нанокристал, изследователите знаят, че той се намира в тази страна. Ако детекторът не го види, те знаят, че той е в другата страна.

Ако кристалът се държи по класически начин, той би трябвало да е там през половината от времето при това първо измерване. След това, след като изчакат времето, необходимо за завършване на половин мах и връщане в центъра на системата, изследователите ще го измерят отново и ще очакват да го видят през половината от времето. Но ако частицата е квантова, невиждането ѝ в едната половина на осцилатора би довело до колапс на така наречената ѝ вълнова функция - математическото описание на квантовото състояние. Въпреки че не виждаме нанокристала, сега знаем неговата позиция и поради това квантовата неопределеност придава на частицата импулс и променя начина, по който тя осцилира. Като повтарят измерванията през определени интервали, изследователите се надяват да успеят да изградят корелации, които да им кажат дали нанокристалът се държи по квантов или класически начин. Трикът във всичко това е да се изхвърлят измерванията, при които нанокристалът се вижда, и да се запазят само тези, при които той не се вижда, така че измерванията да не са инвазивни.

Откакто Бозе и неговите сътрудници предлагат експеримента през 2018 г., напредъкът в улавянето и охлаждането на нанокристали, за да се избегне декохерентност, както и новите прецизни лазери, означават, че идеята вече може да бъде осъществена. В екип с Хендрик Улбрихт (Hendrik Ulbricht), експериментатор в Университета в Саутхемптън, Великобритания, Бозе планира да проведе теста върху нанокристал, съставен от около един милиард атома. "Това е голям скок", смята Улбрихт.

Едва напоследък лазерите станаха достатъчно точни, за да се определи от коя страна на капана осцилира нанокристалът. По-големите частици се описват с по-малки вълни и затова за тези нанокристали лазерът трябва да може да различава размер от порядъка на водна молекула. Улбрихт и Бозе очакват да получат резултати скоро. Ако експериментът наруши неравенствата на Легет-Гарг, това ще разбие концепцията за реализъм при макроскопичните обекти.

И все пак, дори ако това е крайният резултат, ще бъде трудно да се убедят всички, че квантовият свят се простира толкова далеч. От една страна, експериментите на Легет-Гарг всъщност проверяват дали дадена система се държи класически - ако не се държи така, се приема, че тя се държи квантовомеханично, но това може и да не е наистина така. Друга спънка е множеството вратички, които могат да доведат до нарушаване на неравенствата на Легет-Гарг, въпреки че системата се държи класически. Въпреки че измерванията трябва да са неинвазивни, практическите условия отварят така наречените вратички на немърливостта.

"Упоритият циник-макрореалист винаги би могъл да каже: "А, самото измерване наруши системата", разсъждава Халиуел, който се опива да измисля нови методи за измерване, за да избегне подобни проблеми.

Тухлена стена

Има и вратичка в закона, според която частиците извън вашия експеримент правят така, че да изглежда, че макрореализмът е нарушен, когато това не е така. Да не забравяме и че невъзможността на детектора да регистрира всяка частица, която му попадне, може да изкриви резултата.

Изследователи като Синха са заети с опити да затворят всички възможни вратички в експериментите на Легет-Гарг.

Тестове на неравенството на Бел без пропуски са публикувани едва през 2015 г., половин век след оригиналната идея на Бел. Дори и сега физиците продължават да посочват възможни нови пукнатини в дизайна на тези експерименти. Улбрихт признава, че техният експеримент вероятно също съдържа пропуски.

Нито един експеримент досега не е противоречал на квантовата механика. И няма причина да мислим, че квантовите странности не се отнасят за обекти, големи колкото Луната и отвъд нея, стига да се изолира системата от декохерентността на околната среда.

"От теоретична гледна точка квантовата теория не поставя никакви ограничения за това колко голям обект може да се постави в квантова суперпозиция", обяснява Марлето.

Но Улбрихт се надява, че тези експерименти могат да разкрият тухлена стена, отвъд която не може да премине нито една квантова система. Такава стена между квантовия и класическия свят би спасила реалността, каквато я познаваме, предлагайки начин нашият здравомислещ свят да се появи от квантовите странности.

"Възможно е да има универсален механизъм, който превръща всички квантови системи в класически, веднага щом се сблъскат с тухлената стена", смята Улбрихт.

Една от идеите, предложена през 1987 г. от Лайош Диоси от Изследователския център по физика "Вигнер" в Унгария и Роджър Пенроуз (Roger Penrose) от Оксфордския университет, е, че нашата класическа реалност се появява чрез нестабилност в структурата на пространство-времето.

"Една тухлена стена между квантовия и класическия свят би спасила реалността такава, каквато я познаваме"

Като проверяваме дали квантовата механика се прилага за все по-големи обекти, Улбрихт казва, че можем да изключим някои модели на теорията на колапса на обектите  - разширение на квантовата механика, което прави прогнози за това къде трябва да се намира тухлената стена.

И все пак няма да е възможно да сме сигурни, че тази стена съществува, тъй като колапсът може да е причинен от обикновена декохерентност.

"Понякога средата може да бъде много конспиративна", коментира Бозе.

Независимо дали става въпрос за тухлена стена или за нещо съвсем друго, "откриването на отклонение от предсказанията на квантовата теория - независимо дали харесвате или не квантовата теория - е чудесно, защото тогава ще можем да се опитаме да намерим нова теория", казва Марлето. "Хората са разочаровани от това, че квантовата теория е наистина добра в това да бъде потвърдена експериментално."

И така, има ли луна, когато не я гледате, или онова дърво в гората дали изобщо е там, за да падне? Тъй като тестовете на неравенствата на Легет-Гарг навлизат в наистина макроскопичния свят, отговорът все по-често е "не".

"Ако макроскопичният реализъм е нарушен, тогава не може да приемете, че луната е там", казва Халиуел.

Реалността, каквато си я представяме, може би все пак не е реална.

Възможно е дори бъдещите неравенства на Легет-Гарг не само да не са в съответствие с правилата на класическия свят, но и да нарушават досегашните неразрушими квантови правила.

"Това би ни дало възможност да надникнем в някакъв постквантов свят", отбелязва Ведрал. "Трудно е да си представим какво би могло да бъде това, но мисля, че ще открием нещо още по-странно".