#ηeωs _{(двухгодичной давности, но тем не менее)}

Все знают, что квантовая механика — штука странная. Меж тем она прекрасно работает и даёт удивительно точные предсказания для микромира. В принципе она должна быть применима и к макрообъектам (и даже ко всей Вселенной). Но проверить это сложно, т. к. на таких масштабах квантовые эффекты усредняются и становятся почти незаметными. Но вот в журнале Nature вышла статья, в которой приводится мысленный эксперимент, который показывает, что применение квантовой теории на макроуровне приводит к ещё более странным результатам.

Первым квантовую механику к макрообъектам применил ещё Шрёдингер. Его знаменитый кот, который сидит в коробке ни жив ни мёртв, известен всем. Но не все знают, что Шрёдингер придумал своего кота и своё уравнение лишь для того, чтобы продемонстрировать, что эта ваша квантовая теория — чушь собачья (или кошачья). Вот, видите, какая ерунда у вас получается! А те посмотрели на уравнение — точно, так и получается, ура, спасибо!

Но на этом учёные не остановились. Юджин Вигнер засунул в коробку уже не просто кота, а целого своего друга физика, и заставил его там делать квантовые измерения. Друг измеряет спин частицы внутри коробки и получает один из двух исходов с равной вероятностью. Сам Вигнер снаружи не знает, что там его друг намерил, стало быть для него вся коробка (включая сознание друга) находится в суперпозиции двух состояний, пока друг не сообщит ему результат своего измерения. Но возникает вопрос — а в какой именно момент произошёл коллапс волновой функции? То ли когда друг измерил частицу, то ли когда сам Вигнер «измерил» коробку?

Но это только кажущийся парадокс. Ведь они измеряют разные системы, стало быть речь идёт о двух разных волновых функциях, у каждой свой собственный коллапс. А то, что сознание находится в суперпозиции, так это ничего страшного, квантовой теории всё равно. Ведь эти сознания не могут взаимодействовать друг с другом и существуют параллельно, а после коллапса остаётся только одно.

Но вот в последней работе таки удалось сформулировать настоящий парадокс. Для этого потребовалось (на единицу) больше коробок, больше друзей и больше вигнеров. Тогда выходит, что при помощи квантовой механики разные наблюдатели могут прийти к противоречащим выводам относительного одного события, например, подбрасывания монетки. Один может решить со 100% уверенностью, что выпала решка, а другой, с той же 100% уверенностью, — что орёл.

Работает это примерно так:

В одной коробке-лаборатории сидит Алиса. У неё есть читерская монета, которая выпадает орлом в два раза чаще, чем решкой. Алиса подбрасывает эту монету и, если выпала решка, то создаёт какую-нибудь частицу в чистом состоянии «спин вниз», а если выпал орёл, то в состоянии суперпозиции «спин вниз и вверх». После чего она отправляет эту частицу своей подруге Синди, которая сидит в другой коробке-лаборатории и измеряет спин полученной частицы.

Снаружи за лабораториями наблюдают мужики. После того как Синди сделает своё измерение, Боб измеряет лабораторию Алисы определённым образом, и сообщает результат Дику, который после этого измеряет лабораторию Синди тоже заранее определённым образом.

Но наши друзья не просто делают измерения. Они ещё используют квантовую теорию, чтобы делать выводы. Если у Алисы выпал орёл, то она знает, что раз частица в суперпозиции, то после её измерения Синди со своей лабораторий тоже окажется в суперпозиции «знаю, что спин вверх — знаю, что спин вниз». В таком состоянии измерение, которое проведёт Дик над лабораторией, может дать только один исход, назовём его «нет». Таким образом Алиса уверена, что Дик получит результат «нет» после своего измерения.

Теперь посмотрим, что знает Синди. Если вдруг она получила спин вверх, то она знает, что у Алисы выпал орёл. Ведь решка всегда приводит к спину вниз. Стало быть, хоть с точки зрения Синди она сама не находится в суперпозиции, она понимает, что Алиса уверена, что её лаборатория в суперпозиции и что у Дика выпадет «нет». Стало быть сама Синди тоже может быть уверена, что у Дика выпадет «нет».

Теперь Боб измеряет лабораторию Алисы таким образом, что если он получил ответ «да» на своё измерение, он может быть уверен, что у частицы был спин вверх. А раз так, то он понимает, что Синди уверена, что Алиса уверена и т. д. и тоже убеждается, что Дик получит ответ «нет». Боб радостно сообщает это Дику.

Дик по той же цепочке убеждается, что сейчас он получит ответ «нет» на своё измерение. Иными словами, когда у Боба выпало «да», все участники уверены, что у Дика будет ответ «нет». Ответы «да-да» никогда не должны получаться. Вот только та же квантовая теория говорит, что вообще-то вероятность получить ответы «да-да» в этом эксперименте не нулевая, а равна 1/12. В результате рано или поздно Дик получит ответ «да» ко всеобщему изумлению.

Что же всё это означает для квантовой теории? А вот что. Это типичная ситуация из серии «выберите любые два пункта»:
C) Объективная реальность существует независимо от наблюдателя.
S) Не бывает двух противоположных исходов одновременно.
Q) Квантовая механика применима к макрообъектам.

Любая интерпретация квантовой механики должна пожертвовать хотя бы одним пунктом. То есть либо разные наблюдатели могут приходить к противоположным выводам по поводу реальности, и это нормально. Либо эти противоположные исходы и в самом деле присутствуют объективно и одновременно. Либо квантовая механика неприменима к макромиру.

Вот только все три пункта для многих казались само собой разумеющимися. Но теперь оказывается, что они несовместимы друг с другом.

Правда, уже есть теории, которые явно отказываются от одного из этих пунктов. Например, QBism явно постулирует, что реальность субъективна. А в многомировой интерпретации каждый из несовместных исходов одинаково реален, просто случается в своей собственной параллельной вселенной. А теории спонтанного коллапса утверждают, что коллапс происходит автоматически без всякого измерения, и он тем вероятнее, чем больше частиц в системе. Поэтому макрообъекты практически не могут быть в суперпозиции.

Но и классической копенгагенской интерпретации теперь не отвертеться. Почему-то авторы пишут, что она становится субъективной, по аналогии с кубизмом. Но мне кажется, что им проще отказаться от третьего пункта, ведь измерительный прибор у них и так считается классической (неквантовой) системой.

Интересный вывод получается про теорию волны-пилота. Если применять её ко всей Вселенной, как того требует сама бомовская механика, то вроде как в ней сохраняются первые два пункта. Из этого авторы делают вывод, что должен нарушаться третий, хотя других аргументов не приводят. Но это выглядит странно. Если Вселенная — не макрообъект, тогда что макрообъект? Впрочем, это может говорить о том, что бомовская механика попросту противоречива сама по себе.

Такие дела.

#ηeωs

Ученые нашли новое свидетельство пятого фундаментального взаимодействия. Его переносчиком может быть новый гипотетический X-бозон массой около 17 МэВ (или попросту частица X17).

В современной физике есть четыре фундаментальных взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. У каждого взаимодействия (кроме гравитации) есть частица—переносчик из группы калибровочных бозонов. У электромагнитного это фотоны, у слабого — W- и Z-бозоны, у сильного — глюоны, у гравитационного — гипотетические гравитоны, кои пока не обнаружены.

Вместе с частицами материи фермионами они образуют Стандартную модель, которая хорошо устоялась и многократно подтверждена. Что с одной стороны хорошо, а с другой стороны скучно. Все жаждут новой физики, за пределами стандартной модели. Потенциальные кандидаты на расширение — это частицы тёмной материи, но их на данный момент так и не удалось обнаружить, несмотря на многочисленные попытки.

Но вот в 2016 году вышла статья венгерских физиков, которая намекала на существование новой неизвестной частицы. На своей экспериментальной установке они обнаружили аномалии при распаде бериллия-8. Они бомбардировали литий-7 протонами, что создавало нестабильные ядра бериллия-8, которые затем распадались, испуская фотон, который тоже почти сразу распадался на электрон и позитрон.

По закону сохранения импульса, чем энергичнее исходный фотон, тем меньше будет угол разлёта между электроном и позитроном. Замеряя этот угол на установке, учёные обнаружили, что с увеличением угла количество обнаруженных электрон-позитронных пар стабильно падает, но на угле около 140° возникает резкий скачок — пар обнаруживается заметно больше, чем на соседних меньших или больших углах.

Они не нашли этому объяснения в существующей ядерной физике, и предположили, что может быть иногда вместо фотона испускается другая неизвестная частица, которая тоже распадается на электрон и позитрон, но поскольку она имеет меньший импульс, угол разлёта пар существенно шире. Они посчитали массу этой частицы (около 16.7 МэВ), её время жизни (10^-14 секунд) и предположили, что это может быть так называемый «тёмный фотон» — гипотетическая частица тёмной материи, похожая по своим свойствам на фотон.

Работу не особо заметили, ведь те, кто занимается физикой частиц, не читают статьи по ядерной физике. Пока не вышла статья, которая показала, что результаты венгров прекрасно объясняются, если предположить, что новая частица есть калибровочный бозон пятого фундаментального взаимодействия. Они отвергли идею, что это тёмный фотон (и позже тёмные фотоны данной массы действительно не удалось обнаружить). У них получилось, что это скорее его «двойник», который вместо протонов взаимодействует с нейтронами. Пятое взаимодействие вышло очень короткодействующим — оно действует лишь на расстоянии в несколько атомных ядер. Что объясняет сложность его обнаружения.

После этого народ загорелся интересом, и собрался перепроверить результаты и поискать похожие частицы в других экспериментах. Даже в Nature News статья вышла. Но, к сожалению, результатов перепроверок до сих пор нет.

Зато сами венгры не стояли на месте, а провели новый эксперимент, на сей раз с ядрами гелия. И снова обнаружили аномалию, на сей раз на угле в 115°, что снова согласуется с испусканием частицы той же самой массы 17 МэВ. Так что это новое свидетельство существования X17 и пятого фундаментального взаимодействия. Статья пока не принята в журнал, но препринт уже доступен.

В общем, очень интересно. В ближайшие несколько лет должны появиться результаты других экспериментов. Будем ждать.

#ηeωs

220 лет назад учёные впервые измерили силу притяжения в «домашних» условиях. Эксперимент Кавендиша, в котором шар весом 158 кг притягивал другой шар весом 700 грамм, позволил вычислить значение гравитационной постоянной.

С тех пор удалось измерить силу притяжения для всё более лёгких объектов вплоть до массы 90 грамм. А в свежей работе японские исследователи предлагают прибор с чувствительностью в тысячу раз выше. Он сможет измерять притяжения объектов массой от 100 миллиграмм.

Прибор пока не реализован, но суть его в следующем. Строится оптический резонатор из трёх маленьких зеркал, одно из которых свободно подвешено. Измеряемый объект подвешивается недалеко от резонатора и его заставляют колебаться. Объект притягивает к себе подвешенное зеркало и оно начинает колебаться вместе с ним. По амплитуде колебаний зеркала можно вычислить силу гравитации, а её (амплитуду) можно измерить при помощи света в резонаторе.

Разработчики надеются, что эта техника откроет путь ко всё более чувствительным приборам и рано или поздно позволит измерить гравитацию микроскопических объектов квантовой природы.

#ηeωs

Как известно, у каждой частицы есть античастица, которая отличается от неё, например, противоположным зарядом. Когда частица встречается со своей античастицей, они аннигилируют, превращаясь в чистую энергию (ака свет). Тем не менее физики полагают, что во время большого взрыва родилось одинаковое количество материи и антиматерии. Почему же Вселенная не аннигилировала в первые же наносекунды своей жизни? Небольшая часть материи выжила, из неё и получилась та Вселенная, в которой мы живём.

Учёные пока не знают ответа на этот вопрос. По-видимому, в каких-то взаимодействиях материя и антиматерия ведут себя по-разному, приводя к нарушению CP-симметрии. CP-симметрия означает, что если частицы заменить античастицами и отразить систему в зеркале, то она будет себя вести так же, как исходная. Вообще-то, нарушения CP-симметрии в слабом взаимодействии уже были обнаружены ранее, но эти нарушения настолько малы, что не могут быть ответственны за существование Вселенной.

В Японии проводится эксперимент по изучению нейтринных осцилляций, то есть превращений нейтрино разных сортов (электронное, тау и мю) друг в друга. В частности изучается превращение мю-нейтрино в электронные. Эксперимент носит название T2K (Tokai to Kamioka, из Токая в Камиоку). В Токае генерируется поток мю-нейтрино, который отправляется на 300 км в Камиоку, где стоит детектор. Часть нейтрино по дороге превращаются из мю в электронные. Это первый эксперимент такого рода, и его целью является не только изучение осцилляции мю-нейтрино, но и поиск нарушения CP-симметрии — будут ли нейтрино и антинейтрино осциллировать с одинаковой частотой или с разной?

В 2016 году уже сообщалось, что эксперимент обнаружил намёки на нарушение CP-симметрии в нейтринных осцилляциях. Детектор поймал 32 электронных нейтрино. А когда посылали поток антинейтрино — удалось поймать только 4 электронных антинейтрино. Но это очень небольшая выборка, и есть 10% шанс, что так получилось из-за чистой случайности.

В 2017 году результаты улучшились — счёт нейтрино к антинейтрино стал 89 к 7. Это снижает вероятность случая до 5%, но всё ещё недостаточно для научного открытия. Набрать необходимый объём данных планируют к 2020 году. Но если CP-симметрия в нейтринных осцилляциях и впрямь нарушается, это вполне может объяснить существование материи и отсутствие антиматерии в нашей Вселенной.

#ηeωs

Доктор Фарнс из Оксфордского университета предложил одно общее объяснения для эффектов тёмной энергии и тёмной материи — распределённые во Вселенной частицы отрицательной массы, которые к тому же постоянно пополняются из вакуума.

В современной теории расширение Вселенной связывается с тёмной энергией. Вакуум имеет ненулевую плотность энергии, которая задаётся космологической постоянной «лямбда» (Λ). За счёт этого расширяется само пространство-время.

Тёмная материя же постулируется для объяснения скорости вращения звёзд в галактиках. На краю галактик звёзды крутятся с гораздо больше скоростью, чем предсказывает ОТО. По сути скорость вращения всех звёзд в галактике более-менее совпадает, хотя должна бы падать с удалением от центра. Это можно объяснить, если предположить наличие в галактике так называемой тёмной материи — вещества, которое не излучает, и взаимодействует с остальным веществом только гравитационно. Предлагалось несколько вариантов «тёмных» частиц, но пока ни одни из них не обнаружены.

Вместе тёмная энергия и тёмная материя образуют ΛCDM—модель и отвечают за 95% состава Вселенной.

Доктор Фарнс же предлагает объяснить оба эффекта наличием во Вселенной большого количества отрицательной массы. Отрицательные частицы отталкиваются друг от друга, что приводит к разбеганию галактик, то есть расширению Вселенной. По той же причине, они не объединяются в сложные структуры типа атомов, необходимые для излучения света, т. е. остаются «тёмными». С другой стороны, отрицательные частицы притягиваются к положительным, что приводит к тому, что они скапливаются вокруг галактик и разгоняют звёзды на периферии.

Приведу ключевые моменты его работы.

По мере расширения Вселенной плотность отрицательной массы должна падать, и расширение должно замедляться. Чтобы объяснить наблюдаемое ускоренное расширение, Фарнс постулирует эмиссию отрицательной массы — беспрерывное рождение новых отрицательных частиц из вакуума. При постоянной частоте рождения частиц мы получаем аналог космологической постоянной Λ. Однако, эта модель допускает, что частота может зависеть от времени и места. Этим можно было бы объяснить проблемы в уточнением постоянной Хаббла и галактики с разным объёмом тёмной материи.

Невероятно, но факт: отрицательная масса — это аналог отрицательной космологической постоянной Λ. С одной стороны это логично, ведь отрицательная масса эквивалентна отрицательной энергии вакуума. Но с другой стороны, это ведь означает сжатие Вселенной, а не расширение! В текущей модели, где мы наблюдаем расширение Вселенной, Λ считается положительной.

Однако решение уравнения Фридмана для Вселенной с доминирующей отрицательной массой даёт циклическую Вселенную с отрицательной Λ, переменным параметром Хаббла и отрицательной кривизной. Сначала Вселенная расширяется, но в какой-то момент расширение сменяется сжатием и она схлопывается обратно. Чем меньше Λ (по модулю), тем больше время жизни Вселенной. Например, если Λ равна по модулю текущему измеренному значению (но отрицательна по знаку), то один цикл составит 105 млрд. лет, так что мы просто можем находиться ещё в молодой расширяющейся фазе.

Забавно также, что единственное возможное решение при этом — это пространство-время с отрицательной кривизной, а это не что иное, как знаменитое пространство анти—де Ситтера, которое очень любят в теории струн и других теориях квантовой гравитации. В нём работает т. н. AdS/CFT соответствие, которое позволяет связать гравитацию с квантовой теорией поля. Поэтому такое пространство является хорошей игрушечной моделью для тестирования различных теорий, но всегда оставалось загадкой, как же применить эти модели к нашей реальной Вселенной. Если же наша Вселенная и правда является вселенной анти—де Ситтера, то «теории всего» должны получить новый толчок.

Фарнс провёл компьютерную симуляцию галактики из 50 тыс. частиц (5 тыс. положительных и 45 тыс. отрицательных с общей массой 1 к 3 в пользу отрицательных) и убедился, во-первых, что отрицательная масса скапливается вокруг положительной, создавая облако отрицательной массы в несколько радиусов галактики, а во-вторых, что это в самом деле приводит к тому, что скорость вращения положительных частиц не падает с радиусом. Кстати, объяснение этого феномена при помощи отрицательной Λ уже предлагалось, но было отвергнуто из-за красного смещения в сверхновых, которое намекало на положительную Λ.

Ещё один замечательный результат состоит в том, что при этом плотность отрицательной тёмной материи получается примерно равномерной по всей галактике, что соответствует наблюдениям, но пока не соответствовало ни одной модели с положительной тёмной материей. Положительная материя, как ни крути, должна скапливаться в центре, в то время как отрицательная, за счёт сил отталкивания между собой, распределяется более равномерно.

Кроме того, была проведена другая симуляция, почему-то с равным количеством (25 тыс.) положительных и отрицательных частиц (и равной же массой), чтобы проверить, а будут ли в такой вселенной формироваться сложные структуры типа галактик. Симуляция показала, что будут, и равномерная по началу вселенная разделилась на скопления и пустоты. Код симуляции на питоне доступен на гитхабе.

Ещё один важный момент, что в модельке не обнаружилось бесконечно ускоряющихся диполей из частиц положительной и отрицательной массы, которые предсказываются теорией. Вероятно, внешнее воздействие на диполь быстро разрушает их псевдоравновесное состояние, так что даже если они и будут встречаться, то весьма редко. Кстати, космические лучи сверхвысоких энергий и т. н. «О боже мой!» частицы могут быть манифестацией этого феномена.

Но как быть с наблюдениями? Ведь по ним выходит, что у нас положительная Λ и плоская Вселенная с нулевой кривизной. Дело в том, что все модели, объясняющие наблюдения (в частности, красное смещение в сверхновых и реликтовое излучение) строились исходя из предположения, что вся масса положительна. И пересмотреть их с учётом возможности отрицательной массы — ещё открытая задача. Кстати, в одной из работ по сверхновым уже было показано, что если задать Λ = 0, то уравнения сходятся, только если общая масса Вселенной — отрицательна.

Кроме того автор приводит около десятка ссылок на другие работы, в которых так или иначе отрицательная масса следует из наблюдений. Например, измеренная масса одной из групп галактик уменьшается по мере включения в неё новых внешних слоёв.

Ну и напоследок можно сказать, что отрицательная энергия может быть ассоциирована с материей, а может — с вакуумом. Это вопрос интерпретации. Можно рассматривать отрицательные частицы как квантованную энергию самого пространства—времени. Кстати, это может решить проблему космологической постоянной. Её величина, посчитанная на основе квантовой теории, как минимум на 120 порядков превышает наблюдаемую. По словам Ли Смолина, это наихудшее предсказание из всех научных теорий. Но с появлением отрицательной массы плотность энергии вакуума в принципе может иметь любое значение, в зависимости от того насколько она компенсирует положительную.

#ηeωs

Квантовая гравитация делает первые успехи. Один из основоположников петлевой квантовой гравитации Абэй Аштекар с двумя соавторами выпустил работу, в которой решается проблема сингулярности внутри чёрной дыры.

Напомню, чёрная дыра — это такая область пространства-времени, из которой нельзя выбраться наружу. Согласно общей теории относительности, тело, упавшее в чёрную дыру, довольно быстро достигает её центра — сингулярности, в которой кривизна пространства-времени становится бесконечной, и ОТО перестаёт работать. Что будет дальше, мы не знаем. В некотором смысле происходит самый настоящий конец времени, и понятие «дальше» перестаёт иметь смысл.

Никому такая картинка не нравится, поэтому многие уверены, что ОТО неполна и должна быть расширена, чтобы такого не происходило. Надежды связывают с тем, что в областях с такой кривизной главную роль должны играть квантовые эффекты гравитации, которые будут приводить к отклонению от уравнений Эйнштейна, что позволит исключить сингулярность.

И вот вышедшие работы описывают с точки зрения петлевой квантовой гравитации (ПКГ), каким образом удаётся избежать сингулярности, и что получается вместо неё внутри чёрной дыры.

По их расчётам выходит, что кривизна пространства-времени не может уходить в бесконечность, она ограничена сверху. Причём этот лимит является абсолютным, и не зависит от массы чёрной дыры. Когда внутри ЧД достигается этот лимит, то происходит «перевал» и кривизна начинает падать обратно, а метрика чёрной дыры превращается в метрику белой дыры — области пространства-времени, в которую, наоборот, невозможно попасть снаружи, а из неё наружу — можно. Эта белая дыра открывает путь в новую вселенную (или даже две), которые расположены за ней.

Надо сказать, что это не первая (успешная) попытка решить проблему сингулярности в рамках ПКГ, но все предыдущие работы страдали от разных недостатков:

1. Некоторые решения зависели от произвола исследователя — масштаба сравнения(?) _{(кто объяснит, что такое fiducial cell?)}, а значит не были универсально применимы.
2. Некоторые предсказывали заметные квантовые явления снаружи чёрных дыр, в области слабой гравитации, чего не наблюдается.
3. В некоторых масса белой дыры получалась во много раз больше массы чёрной дыры. Например, из ЧД массой с Солнце и радиусом 3 км получалась белая дыра радиусом 10⁹³ гигапарсек. Непонятно, как это можно физически интерпретировать.

Новое решение свободно от всех этих недостатков. Оно не зависит от произвола исследователя и белая дыра получается почти в точности равной чёрной дыре. Кроме того, в отличие от предыдущих решений, которые рассматривали только область внутри ЧД, здесь рассмотрена также внешняя область и показано, во-первых, что она гладко стыкуется с внутренней областью на горизонте событий, без скачков метрики (что соответствует ОТО), а во-вторых, что квантовые эффекты уже на горизонте событий пренебрежимо малы (для макроскопических ЧД), а по мере удаления от ЧД падают ещё больше. Таким образом ОТО является отличным приближением их теории снаружи ЧД.

Надо отметить, что они рассматривали пока не «обычную» чёрную дыру, образованную в результате коллапса звёзды, а так называемую вечную ЧД, которая является решением Шварцшильда для пустого пространства-времени. В максимально расширенном при помощи координат Крускала решении, такая ЧД всегда идёт в паре с белой дырой, только наоборот — сначала у нас есть белая дыра, которая потом превращается в чёрную. Тут же показано, что чёрная потом превращается обратно в белую, и так может продолжаться до бесконечности.

Тем не менее авторы надеются, что их работа поможет в последствии разобраться и с рождёнными чёрными дырами. Например, расчёт излучения Хоукинга тоже сначала был сделан для вечных ЧД, но потом его удалось применить и к обычным дырам. Ожидается, что такая белая дыра будет вести не в параллельную вселенную, а в ту же самую (возможно, в далёкое будущее). Но это ещё стоит показать.

Ссылки: краткая статья и более подробная.