В атомном интерферометре один волновой пакет атома рубидия свободно падает, а другой удерживается магнитным полем. Когда их снова соединяют, интерференция показывает, сохранилась ли квантовая когерентность между двумя траекториями. А если заменить атом намного более массивным объектом, останутся ли интерференционные полосы?

Такой вопрос позволяет проверить идеи, которые по-разному проводят границу между квантовой и классической физикой. Модель Диози–Пенроуза предполагает, что массивная суперпозиция может самопроизвольно коллапсировать. В постквантовой теории Джонатана Ошенхайма гравитационное поле остаётся классическим, а квантовая динамика становится случайной. В этой конструкции потеря когерентности связана с диффузией классических переменных, в том числе гравитационного поля. Ни одна из этих гипотез пока не установлена как описание природы.

Почему предлагают оставить гравитацию классической

Один из привычных путей к объединению физики состоит в том, чтобы описать гравитацию квантовыми средствами. Но экспериментально проверенной полной теории квантовой гравитации пока нет. Ошенхайм предлагает рассмотреть обратный вариант: сохранить классическое пространство-время, но изменить квантовую динамику так, чтобы она допускала случайность.

В рецензируемой статье в Physical Review X, опубликованной в 2023 году, Ошенхайм строит динамику, связывающую классические и квантовые системы. Она линейна по матрице плотности, сохраняет вероятность и полную положительность. Последнее условие не позволяет теории приводить к отрицательным вероятностям, в том числе когда квантовая система взаимодействует с другой квантовой системой. В модели взаимодействие квантовой материи с классическим гравитационным полем само приводит к декогеренции, то есть утрате когерентности. Отдельный постулат о коллапсе при измерении для этого не требуется.

Это теоретическая конструкция, а не экспериментальное свидетельство классической природы пространства-времени. Её смысл для опыта в том, что она даёт проверяемые следствия без предварительного построения полной квантовой теории гравитации. Полный текст статьи открыт по DOI.

Родственный подход предложили Антуан Тийой и Лайош Диози в рецензируемой статье 2016 года. Они построили стохастическую полуклассическую гравитацию в ньютоновском пределе, опираясь на модели спонтанной локализации. Модель предсказывает дополнительную гравитационную декогеренцию, величина которой зависит от конкретной модели локализации. В её конструкции нет одночастичного самодействия. На странице издателя доступна аннотация, но полный текст требует подписки, поэтому подробные выводы этой работы здесь ограничены сведениями из аннотации. Страница статьи и DOI.

Декогеренция и диффузия: два связанных сигнала

В модели Диози–Пенроуза две ветви массивной суперпозиции соответствуют разным распределениям массы и, следовательно, разным гравитационным конфигурациям. Предполагается, что суперпозиция не сохраняется бесконечно и со временем коллапсирует. Журналистский обзор New Scientist пересказывает зависимость времени жизни от массы, но в доступных источниках нет первичного текста, который позволил бы проверить приведённую там количественную формулу. Поэтому её не следует принимать здесь за независимо проверенное предсказание.

В теории Ошенхайма исходное предположение иное: поле классическое, а случайность возникает из требований к согласованному взаимодействию классической и квантовой частей. Важное следствие этой модели описано в рецензируемой статье Ошенхайма, Карло Спарачиари, Барбары Шоды и Захари Уэллера-Дэвиса, опубликованной в Nature Communications в 2023 году. Для рассматриваемого авторами класса марковских классико-квантовых моделей они вывели связь между декогеренцией квантовой системы и диффузией классических переменных. При наличии обратного воздействия квантовой системы на классическую динамику более длительное сохранение когерентности требует большей диффузии.

Для гравитации это означает, что проверять стоит оба возможных проявления: потерю интерференции и случайные отклонения классического поля. Интерференционные измерения ограничивают допустимую декогеренцию и тем самым задают нижнюю границу диффузии. Точные измерения массы и силы ограничивают шум поля сверху. Статья выводит это соотношение математически, а не сообщает о прямом обнаружении гравитационного шума.

Вывод относится к определённым предпосылкам, среди которых марковость, полная положительность динамики и возможность разложить её на короткие временные интервалы. Это не универсальная теорема обо всех мыслимых теориях гравитации. Полный текст статьи открыт на сайте Nature Communications. О том, как оценивать метод, выводы и границы применимости научной работы, подробнее рассказывает материал о критическом анализе научной статьи.

Что именно измерил интерферометр с атомами

В доступном полном тексте препринта на arXiv описан интерферометр с атомами рубидия-87. Авторы создавали два волновых пакета с разными спиновыми состояниями: один удерживали магнитным градиентом, другой двигался по траектории свободного падения. Затем пакеты сводили. Разность фаз считывали по населённости выходных состояний интерферометра.

Исследователи наблюдали около 13 интерференционных колебаний и накопление фазы примерно 80 радиан. Измеренная фаза согласовалась с расчётом для свободного падения, включая ожидаемый коэффициент при зависимости от куба времени. Это экспериментальная проверка квантовой фазы свободного падения и её согласованности с принципом эквивалентности в изученном низкоэнергетическом режиме. Опыт не обнаружил гравитационный коллапс и не различает модели Диози–Пенроуза и Ошенхайма: он исследовал атомы, а не массивную суперпозицию, на которой предполагается проявление таких эффектов.

Полный текст и PDF доступны в виде препринта на arXiv. В предоставленных материалах не установлены его рецензирование и окончательная журнальная публикация. Опыт важен как демонстрация схемы, в которой можно сравнивать свободно падающую и удерживаемую ветви. Однако увеличение массы объекта, необходимое для проверки предсказаний о коллапсе, остаётся будущей экспериментальной задачей.

Наноалмазы и маятники: пока это планы проверок

Для наноалмазов доступные сведения описывают предлагаемый опыт, а не уже проведённую проверку гравитационного коллапса. В обзоре New Scientist приводится прогноз исследовательской команды: если создать суперпозицию ветвей алмазной частицы, разделённых примерно на два микрометра, модель предсказывает коллапс менее чем за секунду. Это условная оценка для заданной конфигурации. Первичной экспериментальной статьи с данными о создании такой массивной суперпозиции в доступных источниках нет.

Интерферометр, где массу объекта и расстояние между ветвями постепенно увеличивают, мог бы проверить, исчезает ли интерференция в диапазоне, где модели предсказывают декогеренцию. Но исчезнувшие полосы ещё не указывают на конкретный механизм: когерентность могут разрушать и обычные источники шума, а разные модели способны предсказывать похожую потерю интерференции. Поэтому важно проверить, как эффект меняется с массой, расстоянием между ветвями и временем.

Другой подход состоит в измерении движения маятников или микромеханических осцилляторов. В теории классического, но случайного гравитационного поля искали бы дополнительные отклонения движения, связанные с диффузией поля. В логике модели такие флуктуации нужно сопоставлять с декогеренцией, а не рассматривать отдельно. Убедительным результатом было бы согласие обоих измеренных эффектов с количественной связью, выведенной для конкретной модели.

Таким образом, проверка Диози–Пенроуза прежде всего требует искать потерю интерференции массивной суперпозиции. В постквантовой теории Ошенхайма к этому добавляется поиск диффузии классического гравитационного поля. Одни только интерференционные данные могут не различить модели. Нужны совместные измерения когерентности и шума, а также проверка их зависимости от параметров эксперимента. Конкретные прогнозы для наноалмазов в этой статье взяты из журналистского обзора, а не из первичного отчёта о завершённом опыте.

Что известно сейчас

Предложение оставить гравитацию классической возникло не из доказательства, что она не подчиняется квантовым законам. Это теоретическая альтернатива, которую можно сопоставлять с экспериментом. В постквантовой модели классическое поле взаимодействует с квантовой материей, вызывает декогеренцию и, при заданных авторами условиях, должно случайно диффундировать.

Атомный интерферометр показал согласованность измеренной фазы свободного падения с расчётом в маломасштабном режиме. Он не проверил коллапс массивной суперпозиции. Эксперименты с наноалмазами и маятниками остаются перспективными направлениями, а не свидетельством обнаруженной гравитационной случайности. Следующий шаг должен дать возможность измерить не только судьбу интерференционных полос, но и связанный с ней шум поля.

Источники и статус работ

  • Jonathan Oppenheim. «A Postquantum Theory of Classical Gravity?». Physical Review X, 2023. Рецензируемая статья, полный текст открыт. DOI: 10.1103/PhysRevX.13.041040.
  • Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, Barbara Šoda, Zachary Weller-Davies. «Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity». Nature Communications, 2023. Рецензируемая статья, полный текст открыт. DOI: 10.1038/s41467-023-43348-2.
  • Antoine Tilloy, Lajos Diósi. «Sourcing semiclassical gravity from spontaneously localized quantum matter». Physical Review D, 2016. Рецензируемая статья; доступна аннотация, полный текст издателя требует подписки. DOI: 10.1103/PhysRevD.93.024026.
  • Or Dobkowski и соавторы. «Observation of quantum free fall and the consistency with the equivalence principle». Препринт arXiv, 2025. Полный текст открыт; статус рецензирования в предоставленных материалах не установлен. Полный текст на arXiv.
  • Ryan Wills. «Does gravity create reality? A shocking path to a theory of everything». New Scientist, 25 мая 2026 года. Журналистский обзор, использованный только для контекста и описания предлагаемых будущих экспериментов. Статья.

Источники и литература

Концептуальная схема показывает, что проверка постквантовой классической гравитации требует сопоставлять потерю квантовой когерентности с возможной диффузией классического поля. Это не экспериментальные данные.

Фото: Sergey Sergeev / Pexels