Гравитация способна вызывать декогеренцию больших квантовых систем

Рис. 1. Декогеренция возникает из-за гравитации

Рис. 1. Сложная молекула, находящаяся в квантовом делокализованном состоянии одновременно на двух разных высотах, отличающихся на Δx. Из-за того, что в поле тяжести время течет по-разному на разных высотах, частоты внутренних колебаний слегка отличаются, и это становится новым источником декогеренции квантового состояния. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Physics

В журнале Nature Physics на днях опубликована теоретическая статья, вскрывающая новые аспекты взаимодействия гравитации и квантовой механики. В ней показано, что в квантовой системе из большого числа частиц, пусть даже полностью изолированной от внешней среды, но находящейся в поле тяжести, все равно произойдет декогеренция за счет эффекта гравитационного замедления времени. Хотя этот механизм не относится к окружающим нас объектам, он вскрывает новые подробности перехода от квантового описания больших систем к классическому.

Переход от квантового к классическому — один из сложных нерешенных вопросов фундаментальной физики. С одной стороны, микроскопический мир живет по законам квантовой механики, со всеми своими противоинтуитивными явлениями. С другой стороны, в обычной макроскопической физике этих явлений мы не наблюдаем — и, собственно, по этой причине они и кажутся нам противоестественными. Самое важное, что в рамках самой квантовой механики нет какого-либо указания на границы ее макроскопической применимости. Она не говорит, что вот до такого предела работают квантовые законы, а за ним надо пользоваться только классической физикой. Поэтому либо переход к классической механике должен как-то выводиться прямо из квантовых законов, либо — если он никак не выводится — придется признать, что квантовая механика охватывает не всё. Как реально обстоит дело, до сих пор неизвестно.

Базовый квантовый эффект, с помощью которого удобно иллюстрировать и экспериментально изучать эту проблему, — это явление суперпозиции. Если квантовый объект может находиться в одном состоянии и в другом состоянии, то он также может находиться и в суперпозиции этих состояний: и в том, и в другом одновременно. Например, атом может находиться или здесь, или там, или и здесь и там одновременно, с некоторой долей вероятности. Такая нелокальность приводит к интерференции частицы самой с собой — и этим она кардинально отличается от обычного классического состояния с неполной информацией (то есть когда частица на самом деле находится где-то в определенном месте, но только мы не знаем, в каком). Мысленный эксперимент с котом Шрёдингера — самая известная иллюстрация этой непривычной, не имеющей повседневного аналога нефиксированности квантового состояния.

На самом деле, при сопоставлении квантового и классического есть две проблемы разного уровня фундаментальности. Первая — это понять, куда пропадает возможность интерференции крупного объекта с самим собой. С ней квантовая механика, в принципе, справилась: за этот эффект отвечает явление декогеренции (про нее будет рассказано ниже). Задача сузилась до выявления физических механизмов декогеренции в разных ситуациях и вычисления эффекта. Вторая — это объяснить, как физически происходит коллапс квантового состояния при измерении. Эта задача выходит за рамки обычной квантовой механики; для такого объяснения либо требуется модифицировать саму теорию, либо предлагать конструкцию над квантовой механикой (то, что называется интерпретациями квантовой механики). Здесь консенсуса нет даже близко, и более того, нет даже согласия по поводу самой постановки проблемы.

В вышедшей на днях в журнале Nature Physics статье обсуждается именно первая задача. В статье описывается новый источник декогеренции квантового состояния, за который ответственна гравитация. Ни модификаций квантовой механики, ни теорий квантовой гравитации, ни каких-либо других экзотических гипотез при этом не вводится. Эффект полностью находится в ведении обычной квантовой механики на фоне классического и при том не слишком сильного гравитационного поля.

Явление декогеренции можно в самых общих чертах проиллюстрировать на примере оркестра. Если оркестр играет слаженно, то каждый инструмент играет в такт взмахам дирижерской палочки, и поэтому общее звучание получается слаженным, когерентным. Но если бы у каждого музыканта были свои отвлекающие факторы, вызывающие непредсказуемую задержку отклика, то общее звучание напоминало бы какофонию. А если бы оркестр при этом состоял из многих миллионов инструментов, то вместо контрастного звучания произведения мы бы просто слышали какой-то однородный гул.

Примерно так пропадает когерентность квантового процесса с участием многих частиц. Интерференция — контрастные чередующие полосы усиленной и ослабленной вероятности — возможна тогда, когда все квантовые степени свободы колеблются синхронно (см., например, подробный рассказ про то, как биологические молекулы это используют для фотосинтеза, в новости Механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность, «Элементы», 28.07.2014). Взаимодействие с окружающей средой эту синхронность может сбить, и тогда интерференция исчезнет. Сбиться она может под ударами молекул внешней среды или же, если наша квантовая система находится в вакууме, при поглощении и испускании тепловых фотонов. Чтобы устранить разрушающее воздействие внешней среды, требуется максимально охладить объект и заэкранировать его от каких-либо внешних воздействий. Задача эта непростая, но для отдельных молекул она вполне решаема. Именно поэтому удается наблюдать интерференцию не только отдельных частиц или атомов, но и даже крупных молекул (рис. 1). Однако для объектов побольше, размером порядка микрона, это пока остается сложнейшей технической задачей.

Тем не менее до сих пор было общее понимание того, что, если квантовую систему надежно заэкранировать от внешней среды, квантовая когерентность в ней будет существовать сколь угодно долго. В новой работе объясняется, что это не так. Даже в идеально изолированной квантовой системы из многих частиц будет происходить явление декогеренции, вызванное эффектом общей теории относительности — замедлением времени в поле тяжести.

Рис. 2. Эксперимент по пространственному расщеплению квантовой частицы

Рис. 2. Эксперимент по пространственному расщеплению квантовой частицы, которая летит в поле тяжести сразу по двум траекториям и при воссоединении интерферирует сама с собой. Рисунок с сайта physicsworld.com

Суть эффекта вот в чем. Предположим, у нас есть сложная молекула с большим числом степеней свободы (то есть возможностей колебаний). Мы эту молекулу подкидываем вверх и в какой-то момент переводим в делокализованное состояние. Она теперь находится не в одном каком-то месте пространства, а одновременно на двух разных высотах (рис. 2), она как бы летит в поле тяжести сразу по двум траекториям. Когда эти две траектории пересекаются, мы молекулу переводим снова в локализованное состояние и при этом мы ожидаем увидеть интерференцию. По сути, получается стандартный атомный интерферометр, но только ориентированный в пространстве вертикально. Такая постановка эксперимента только звучит фантастично; на самом деле она давным-давно реализована для отдельных атомов и для бозе-конденсата и даже используется в экспериментах по измерению силы тяжести (Гравитационная постоянная измерена новыми методами, «Элементы», 22.01.2007).

Если молекула полностью заэкранирована от внешних хаотических воздействий, то, казалось бы, никаких проблем с интерференцией быть не должно. Пусть даже внутри молекулы происходят какие-то колебания, они всё равно протекают одинаково и для верхней траектории, и для нижней. Синхронность этих колебаний при расщеплении и воссоединении всей молекулы целиком теряться не должна. Так вот, этот вывод нарушается, если учесть эффекты общей теории относительности.

Дело в том, что в гравитационном поле ход времени слегка замедляется, причем чем сильнее поле (точнее, чем глубже потенциал), тем сильнее это замедление. Этот эффект очень существенен в сильных гравитационных полях; он стал особенно знаменитым после недавнего фильма «Интерстеллар». Но вообще-то, он работает всегда, в том числе и в поле тяжести Земли, и более того, он учитывается в системах навигации GPS. Поэтому, когда расщепленная молекула летит по двум разным траекториям в поле тяжести, она испытывает вдоль них слегка разный ход времени. И поэтому, когда эти две ипостаси молекулы снова воссоединяются, синхронность между внутренними колебаниями может уже может сбиться. Если эта потеря синхронизации существенна, когерентность теряется и интерференция пропадает. Молекула испытывает декогеренцию просто за счет того, что ее внутренние колебания «запутались во времени».

Почему на такой, казалось бы, фундаментальный факт до сих пор не обращали внимания? Потому что он очень слаб. Относительная разность хода времени для двух систем, разнесенных в земном поле тяжести на высоту h, составляет \[ x = {mg h \over mc^2} = {r_g h \over 2R^2}\,, \] где \(r_g\) — это гравитационный радиус Земли (около 1 см), а R — реальный радиус Земли (примерно 6400 км). Для высоты порядка микрона получается совершенно ничтожная величина: \(x \sim 10^{-22}\). Поэтому квантовая частица с одной степенью свободы должна проколебаться 1022 раз, чтобы такой эффект можно было заметить — а это за пределами любых реальных экспериментов. Однако авторы статьи замечают, что если у нас есть система с большим числом (N) степеней свободы и все они колеблются, то тогда потеря синхронности усиливается в \(\sqrt{N}\) раз. Для макроскопического тела, в котором число степеней свободы порядка числа Авогадро, темп потери когерентности ускоряется на 12 порядков. Поскольку типичный временной масштаб колебаний — пикосекунды, получается, что потеря когерентности наступит очень быстро, за миллисекунды. И это, подчеркнем, для совершенно изолированного от внешнего воздействия тела!

Дает ли эта работа какое-то новое понимание, почему реальные предметы вокруг нас живут по классическим, а не квантовым законам? Нет, поскольку в этом случае происходит активное взаимодействие с внешней средой, что очень быстро разрушает когерентность. Однако она вскрывает важный эффект, который до этого игнорировался и который, вероятно, надо будет учитывать при попытке реализовать квантовый компьютер и, более широко, любые крупные квантовые системы с большим ожидаемым временем когерентности. Она устанавливает некоторый предел даже для идеально изолированных систем — ведь новый эффект берется из-за гравитации, а от нее спрятаться невозможно.

Ну и, наконец, с чисто фундаментальной точки, зрения эта работа показывает новые аспекты взаимодействия квантовой механики и гравитации, двух теорий, которые, в определенном смысле, находятся «на ножах» друг с другом. Правда, «взаимная неприязнь» этих двух теорий относится к сильным полям и высоким энергиям, а при обычных условиях они вполне уживаются (Нейтроны в гравитационном поле Земли позволяют проверить модели темной энергии и темной материи, «Элементы», 25.04.2014). Но эта работа и последовавшие за ней теоретические исследования (C. Gooding, W. G. Unruh, 2015. Bootstrapping Time Dilation Decoherence) демонстрируют новые нетривиальные аспекты этих отношений. А поскольку описанные эффекты представляют фундаментальный интерес, их, разумеется, хочется проверить экспериментально. Этого пока не сделано, однако авторы надеются, что, при разумной экстраполяции технологий манипулирования квантовыми объектами, такую проверку удастся осуществить в недалеком будущем.

Источник: Igor Pikovski, Magdalena Zych, Fabio Costa & Caslav Brukner. Universal decoherence due to gravitational time dilation // Nature Physics. 2015. DOI:10.1038/nphys3366. Статья также доступна как е-принт arXiv:1311.1095 [quant-ph].

См. также:
No, Gravity hasn’t killed Schrodinger’s cat — комментарий к этой работе в блоге Backreaction.

Игорь Иванов


64
Показать комментарии (64)
Свернуть комментарии (64)

  • SysAdam  | 22.06.2015 | 05:46 Ответить
    А может вопрос неправильно поставлен? Не запутывание является следствием гравитации, а гравитация есть следствие запутывания исходно когерентных частиц всей вселенной? Особенно, если учесть нелокальность квантово-механических эффектов?
    Почему вещество собирается в шар, как мы сейчас считаем, под действием гравитации? Может, возникает центр запутывания, который начинает ускорять запутывания вокруг себя, вовлекая в себя все больше и большее число частиц?

    P.S. Мысль у меня такая возникла из-за того, что мне не удается понять для себя что такое "внешняя среда". Есть среда, которая живет по квантовый законам, и вдруг относительно неё появляется внешняя среда, но при этом квантовая среда в неё погружена. Очевидно, что при таком подходе никогда не объединить ОТО и КМ.
    Ответить
    • Sergeir220 > SysAdam | 22.06.2015 | 10:28 Ответить
      Такая мысль не только у вас возникает. Есть множество теорий которые пытаются объяснить гравитацию квантовыми эффектами. Кстати, были ли попытки оценить замедление времени при скоплении большего количества частиц только с помощью квантовой механики(модифицированной) и не прибегая к ОТО и гравитации? Или замедление времени при движении частиц с ускорением, не пригибая к СТО?
      Ответить
    • Игорь Иванов > SysAdam | 24.06.2015 | 02:43 Ответить
      Объяснение происхождения гравитации — это другая задача. Есть такие варианты, да. В AdS/CFT подходе метрику пространства (т.е. гравитацию в объеме) связывают с энтропией запутанности степеней свободы на границе, см. например мою заметку на N+1 https://nplus1.ru/news/2015/05/31/duality . Но это все — попытки построение новых теорий. А тут рассказывается про эффект, который должен существовать в рамках обычной квантовой механики в обычном слабом классическом гравполе.
      Ответить
      • SysAdam > Игорь Иванов | 25.06.2015 | 05:24 Ответить
        Как широко известно в узких физических кругах, Карно вывел свой знаменитый цикл, используя понятие теплорода. :)
        Я понимаю в рамках чего идет объяснение эффекта.
        Про AdS/CFT я в научно-популярной книге Петрова читал. Но он там абсолютно ничего про запутанность не упомянул. Написано, что там используется антидеСиттеровское пространство с границей на бесконечности, на которое наложили конкретную реализацию теории суперструн. Одна из разновидностей теорий гравитаций в мире с бранами.
        Ответить
      • SysAdam > Игорь Иванов | 25.06.2015 | 06:41 Ответить
        Извините за праздное любопытство, а почему Вы по той работе о связи гравитации и квантовой теории на микроскопическом уровне не сделали статью здесь на Элементах?
        Потому что там чистая теория, а Элементы в основном экспериментальные работы освещает?

        P.S. Кстати, сайт nplus1.ru интересный по подборке материалов. Спасибо за ссылку на него. Почитаю на досуге. Видимо, только в этом году работать начали?
        Ответить
        • Игорь Иванов > SysAdam | 26.06.2015 | 02:34 Ответить
          Здесь ответственность выше, чем там. Я не настолько разобрался в теме, чтобы написать сюда и отвечать на вопросы. Для этого мне пришлось бы потратить еще пару вечеров, а у меня на это времени нет. А там сошел и такой вариант.

          Ну почему, тут тоже теорию освещаю. Опыт показывает, что для написания полноценной новости для Элементов у меня столько времени уходит, что я уже не могу на это тратиться. Видимо я разучился оперативно писать тщательные новости. А туда тексты пишутся почему-то легче, но они и менее тщательно написаны. Они начали работать два месяца назад. Я там тоже мало пишу, на самом деле.
          Ответить
  • willmore  | 22.06.2015 | 09:06 Ответить
    так может вся борьба с декогеренцией в квантовых компьютерах в этот эффект и упирается?
    1. строим космическую станцию в точке L2
    2. строим на станции квантовый суперкомпьютер
    3. добавляем широкополосную линию связи с землей
    4. ???
    5. профит!
    :D
    Ответить
    • Kyu > willmore | 22.06.2015 | 11:54 Ответить
      "строим космическую станцию в точке L2"
      Гравполе полностью не убирается. В конце концов, сам компьютер гравитирует. К тому же, по принципу эквивалентности, ускоренное движение делает то же самое. И где ж найти инерциальную систему?
      Ответить
      • willmore > Kyu | 22.06.2015 | 12:26 Ответить
        полностью не убирается, но ослабится => вырастет характерное время декогеренции. по приведенной в статье формуле, если правильно посчитал, там будет x ~ 10^(-25), на 3 порядка меньше, чем на Земле. ускоряться такая система не должна, будет двигаться вокруг Солнца с постоянной скоростью. или не так?
        Ответить
        • Kyu > willmore | 22.06.2015 | 12:52 Ответить
          А не зависит ли это время от числа кубитов?
          Если "двигаться вокруг", то значит "не прямолинейно и равномерно", т.е. с ускорением.
          Ответить
          • willmore > Kyu | 22.06.2015 | 13:31 Ответить
            от числа степеней свободы зависит (который корень из N), их тем больше, чем больше кубитов. что по кругу это да, но, думаю, в первом приближении движение по орбите с радиусом порядка земной для микроскопических систем можно с хорошей точностью принять как прямолинейное, опять же, из-за разницы размеров на 15 порядков. хотя черт его знает, как оно там получится, если аккуратно учитывать все эффекты
            Ответить
            • PavelS > willmore | 22.06.2015 | 21:35 Ответить
              А чего тут голову ломать. Есть же готовая формула в статье что и как. Ставите радиус орбиты, гравитационный радиус Солнца и профит.

              Расстояние увеличивается примерно на 4 порядка, но масса солнца больше на 6 порядков, но расстояние в квадрате... эффект от Земли полностью исчезает, эффект от Солнца будет неустраним, но он на 2 порядка меньше. Это если на вскидку.
              Ответить
              • willmore > PavelS | 23.06.2015 | 10:32 Ответить
                капитанам рекомендуется читать весь тред, а не только последний пост
                Ответить
        • Игорь Иванов > willmore | 24.06.2015 | 02:49 Ответить
          В микрогравитации, конечно, эффект ослабнет. Но он и сейчас пока настолько слаб, что ненаблюдаем.
          Ответить
    • Игорь Иванов > willmore | 24.06.2015 | 02:47 Ответить
      > так может вся борьба с декогеренцией в квантовых компьютерах в этот эффект и упирается?

      Да нет, в обычных условиях даже при отличном экранировании вам надо частицы чем-то держать. Поэтому всегда есть взаимодействие со средой. Кроме того, кубиты строят обычно на одной внутренней степени свободы, например, на спине. Там нет суперпозиции двух пространственных состояний на разной. А здесь для эффекта нужно обычно много внутренних степеней свободы, а также размазку центра масс по высоте. В общем, ни в каких нынешних экспериментах этот эффект пока не проявляется, и надо будет очень постараться его пронаблюдать в специальных условиях.
      Ответить
  • Angl  | 22.06.2015 | 10:42 Ответить
    Значит ли это, что как минимум сильный принцип эквивалентности неверен, то есть нельзя подобрать такую окрестность точки, где все законы были бы одинаковы для гравитационного поля и поля инерции? В гравитационном поле происходит декогеренция квантового состояния, в ускоренной системе отсчета нет?
    Ответить
    • xolod > Angl | 22.06.2015 | 11:16 Ответить
      Значит в ускоренной системе тоже самое должно происходить.
      Ответить
      • Angl > xolod | 22.06.2015 | 11:40 Ответить
        Как раз в однородном поле сил инерции такое не должно происходить.
        Вообще, оговорки к принципу эквивалентности известны, но эффектами кривизны пространства можно было пренебречь в достаточно больших окрестностях. Декогеренция же должна проявляться и в слабых полях и в очень малых окрестностях.
        Ответить
        • Kyu > Angl | 22.06.2015 | 11:57 Ответить
          "в однородном поле сил инерции такое не должно происходить"
          Почему "не должно"?
          Ответить
          • Angl > Kyu | 23.06.2015 | 23:45 Ответить
            Потому что время во всех точках течет одинаково, пространство плоское.
            Ответить
        • Игорь Иванов > Angl | 24.06.2015 | 02:51 Ответить
          Та же самая декогеренция будет происходить и под действием сил инерции, т.е. в плоском пространстве, в котором частицу разгоняют с постоянным ускорением. Это в статье (в исходной, не в новости) даже специально подчеркнуто, см. рис.2b.
          Ответить
    • Игорь Иванов > Angl | 24.06.2015 | 02:52 Ответить
      В ускоренной системе тоже будет.
      Ответить
  • dims  | 22.06.2015 | 12:14 Ответить
    Эффект должен наблюдаться только в неоднородном гравитационном поле или в однородном тоже?

    Как тут обстоит дело с принципом эквивалентности?

    Существует ли аналогичный эффект при ускоренном (в т.ч. криволинейном) движении макроскопического тела? Например, приводит ли вращение тела к декогеренции?

    Можно ли "сохранить кота", то есть, как-то обобщить теорию так, добавив в неё новые компоненты, чтобы данный эффект исчез? Вообще, есть ли польза от этого эффекта в вопросе построения квантовой гравитации?

    Спасибо.
    Ответить
    • aa > dims | 22.06.2015 | 12:58 Ответить
      Пока Игорь молчит, я бы ответил так: поле гравитации по ОТО - это зависимость метрического тензора от координат (только не обычных, а криволинейных). Причем, нельзя провести преобразования координат, чтоб вся область описывалась "прямолинейной системой координат". Изменение скорости "хода времени" напрямую связано с гравитационным потенциалом и при этом, нет разницы - поле однородно, или нет. Просто в первом случае нужно брать интеграл... На счет неинерциальных систем отсчета: - если мы будем двигаться с ускорением относительно "квантовой установки", то в "нашей ускоренной системе отсчета" эта установка будет "свободно падать" по геодезической. Это просто следует учитывать. На счет вращающегося диска - по моему, это очень интересная идея! Ведь если перейти во вращающуюся систему отсчета, то вещество диска "не падает" там, а находится в покое в неинерциальной системе отсчета. Здесь декогеренция должна усиливаться за счет "полей инерции". Но интересно то, как тогда объяснить "усиленную декогеренцию" относительно инерциального наблюдателя, относительно которого диск вращается.
      Ответить
      • Игорь Иванов > aa | 24.06.2015 | 03:04 Ответить
        Ну, наверно имелось в виду, если мы будем физичяески ускорять частицу, а не сами мимо нее ускоренно пролетать. Тогда декогеренция тоже будет.

        В статье есть формула для произвольной траектории, и там потеря контрастности интерференционных линий (т.е. уменьшение недиагональных элементов в матрице плотности, описывающией состояние центра масс) зависит от разности набега собственного времени по двум траекториям. Это для простого примера, когда изначально волновая функция центра масс находилась в суперпозиции двух локализованных состояний.
        Ответить
    • Игорь Иванов > dims | 24.06.2015 | 03:00 Ответить
      В однородном поле тоже есть. Собственно упрощенный пример, разобранный в начале статьи, касается как раз системы из N невзаимодействующих степеней свободы в однородном поле (поскольку там стоит g).

      В ускоренной системе будет такая же декогеренция. Вообще, в статье выведена очень простая формула (3), годящаяся для произвольного движения частицы, центр масс которой находится в суперпозиции двух локализованных состояний. Можно отследить, какую траекторию описывает центр масс в каждом из этих состояний, сосчитать разность собственного времени по этим двум траекториям, и через него и выражается декогеренция.

      Насчет «сохранить кота» — этих слов вообще не надо говорить, они сбивают с толку (в формулировке опыта с котом Шр. надо езще открывать ящик, т.е. производить наблюдение, там коллапс функции тоже участвует).

      Насчет обобщить теорию и убить этот эффект — это какой-то уже следующий уровень накрученности. Тут сейчас предлагается экспериментально проверить, что этот эффект, опирающийся на общепринятые теори, реально существует.

      Квантовая гравитация — это совсем другой класс вопросов, не будем смешивать.
      Ответить
  • aa  | 22.06.2015 | 12:34 Ответить
    Мне хотелось бы понять на счет декогеренции. Если взять реально "узкий волновой пакет", то там фазы плоских волн даже очень "одинаковы" в области, которая соответствует центру пакета (разложение Фурье). Если же будет "разбалансировка фазы", то это будет нечто, как белый шум и никакой декогеренции! Разве что, сюда еще следует "привлечь" редукцию пакета, что и делается (или нет)?
    Ответить
    • Игорь Иванов > aa | 24.06.2015 | 03:12 Ответить
      Вот я перечитал снова статью, и для щнатоков напишу более кратко и почетче, чем в новости.

      Там есть наглядный пример и общая теория. Общую теорию осчтавим в покое, рассмотрим наглядный пример. Берется сложная система, разделяется на волновую функцию центра масс и внутреннее состояние. Центр масс описывается _чистым_ состоянием, с волновой функцией |psi>, которая представляет суперпозицию двух более-менее локализованных состояний. Внутреннее состояние _сразу_ постулируется не чистым, а термальным, т.е. описывается матрицей плотности. Полная матрица плотности является произведением матрицы плотности центра масс |psi><psi| и термальной материцы плотности внутреннего состояния.

      Эффект гравитационного замедления времени приводит к тому, что появляется как бы добавочный гамильтониан взаимодействия, который зщапутывает координаты центра масс и внутренние степени свободы. Поэтому термальное внутреннее состояние через это взаимодействие начинает влияет на распределение по цетру масс, портить чистоту этого состояния. Именно так и пропадает недиагональный член в матрице плотности, описываещей центр масс.

      Так что никакой редукции тут нет, здесь речь только про неунитарную эволюцию матрица плотности центра масс, вызванной запутыванием с внутренними степенями свободы.
      Ответить
  • aa  | 22.06.2015 | 12:41 Ответить
    Так как вы пишете достаточно кратко и ясно, хотел бы сразу здесь спросить о бозонах Хиггса. То, что бозон Хиггса должен распадаться по двум каналам - лептонному и фотонному - это следует из теории? И вероятности распадов по лептонному и фотонному каналу - это тоже следует из теории? И можно ли бозон Хиггса представлять себе частицей, для которой нарушается квантовомеханический принцип суперпозиции? Ведь в исходном лагранжиане поле Хиггса берется аж 4 степени, что в классическом понимании означает нарушение принципа суперпозиции (для /Psi функции).
    Ответить
    • Игорь Иванов > aa | 24.06.2015 | 03:18 Ответить
      Хиггс распадается сразу по всем каналам, а мы в каждом конкретном эксперименте видим какой-то вариант. Да конечно, из теории вычисляются все эти вероятности, поскольку известны константы взаимодействия Хиггса с другими частицами.

      Насчет суперпозиции вы загнули :) В исходном потенциале есть четвертая степени исходного хиггсовского поля. После нарушения электрослабой симметрии phi^4 превращается, условно говоря, в (v+h)^4, что дает и квадратичные и кубические и четверичные взаимодействия. Так что для самодействия хиггса принцип суперпозиции действительно нарушается. Но в распаде-то нас не это интересует, нас интересует взаимодействие с другими частицами. А оно возникает потому, что исходное поле phi с ними взаимодействовало.
      Ответить
  • Морр  | 22.06.2015 | 16:26 Ответить
    Насколько я понял из статьи, декогеренция возникает, только если сама система находится не в чистом внутреннем состоянии. То есть, если молекула находится при нулевой температуре на нижнем энергетическом уровне, то этого эффекта нет. Не могли бы вы пояснить, почему?
    Ответить
    • PavelS > Морр | 22.06.2015 | 21:47 Ответить
      Я не спец, но как можно говорить про когерентность молекулы если она находится "на уровне"? Речь же про когерентность двух состояний, каждое из которых есть один из уровней.
      Ответить
      • aa > PavelS | 22.06.2015 | 22:48 Ответить
        Каждый атом в молекуле может находится в "основном состоянии", но согласно соотношению неопределенностей, останутся "нулевые колебания" атомов. Но так как "центр тяжести" этой молекулы тоже будет иметь неопределенность положения (которая будет расти), "декогеренция", вызванная гравитацией, должна приводить к схлопыванию (хотя по моему, без редукции здесь не обойтись), т. е., положение центра тяжести молекулы только за счет действия гравитации станет опять более точным.
        Ответить
        • Игорь Иванов > aa | 24.06.2015 | 03:36 Ответить
          Центр масс вычисляется как среднее значение оператора координат центра масс. Он вполне фиксирован. Если у вас есть суперпозиция двух состояний с разным пространственным распределением, вы можете узнать центры масс этих двух состояний. Это все определяется формульно и абсолютно точно. Это не то же самое, что разговор про то, где частица реально находиться.
          Ответить
    • aa > Морр | 22.06.2015 | 22:59 Ответить
      Лично для меня, существование вещества при "абсолютном нуле" вообще вызывает кучу вопросов. Если взять кусок вещества при "абсолютном нуле", то видимо, этот кусок совсем не будет испаряться (как все тела) - в принципе! В этом куске вещества недолжно быть никаких дефектов и вероятность появления дефектов ("спонтанная") должна равняться нулю (пока температура - нуль). Однако, "центр тяжести" этого куска должен расплываться со временем за счет "расплывания волновой функции", что согласуется с уравнениями Шредингера (когда нет "внешней среды"), правда, за счет большой массы - очень медленно. И 3 закон термодинамики запрещает существование веществ при абсолютном нуле.
      Ответить
      • GaribalDI > aa | 23.06.2015 | 22:38 Ответить
        Абсолютный ноль - такая же сингулярность, как и другие, типа Большого взрыва или черных дыр. Что вы от неё требуете?
        Ответить
    • Игорь Иванов > Морр | 24.06.2015 | 03:30 Ответить
      Вот я там чуть выше написал пространный коммент про термальное (т.е. изначально не чистое!) внутреннее состояние и чистое состояние центра масс. Грав.замедление времени приводит к тому, что они запутаны, и от этого начинает портиться состояние координаты центра масс.

      Если у вас внутреннее состояние — не просто чистое, а вообще собственное состояние гамильтониана внутреннего взаимодействия, то у вас эволюция этого внутреннего состояния даст просто лишний набег фазы. Но недиагональные элементы матрицы плотности, описывающей центр масс, как были большими, так и останутся. Интерференционая контрастность не пропадет.

      Если у вас внутреннее состояние — чистое, а не термальное, но не собственное состояние внутреннего гамильтониана, то недиагональные элементы начнут портиться. Но как мне кажется, они испортятся несильно. А если это чистое состояние к тому же простое, например суперпозиция двух уровней, то недиагональные элементы будут периодически уменьшаться и снова вырастать. Так что неуклонной потери интерференционного контраста не произойдет. Можно конечно взять очень сложную суперпозицию, и тогда поначалу контракт будет падать так, словно у нас настоящая декогеренция. Я подозреваю, что мой текст в новости скорее описывает эту ситуацию, чем настоящую декогеренцию. В таком случае когерентность спустя очень больше время восстановится. Но это в общем0-то известный факт для замкнутых систем. Просто это время восстановление безумно большое.
      Ответить
      • Морр > Игорь Иванов | 24.06.2015 | 19:41 Ответить
        Спасибо за ответ. Я пока не вполне понял, но попробую еще раз прочитать статью с учетом ваших ответов.

        >если это чистое состояние к тому же простое, например суперпозиция двух уровней, то недиагональные элементы будут периодически уменьшаться и снова вырастать
        Насколько я уловил из статьи, именно это утверждалось даже для термального состояния.
        Ответить
        • Игорь Иванов > Морр | 26.06.2015 | 02:39 Ответить
          Да, это верно. Там время ре-когеренции (состояния, описывающего центр масс, не внутреннего) будет огромным, конечно. Вообще, наверно надо сначала прочесть их предыдущую статью 2011 года, там по-моему тот же эффект на примере двухуровневой системы рассмотрен. И еще первый автор Igor Pikovsky недавно защитил диссер по этой теме, он в сети есть, может стоит его почитать тоже.
          Ответить
  • PavelS  | 22.06.2015 | 21:58 Ответить
    Мне казалось что для объяснения, почему у макрообъектов не наблюдается интерференция, такое сложное объяснение как в статье не нужно. Они просто массивные и дебройлева длина волны у них малая. Соответственно, пропуская макрообъект через щель Юнга получаем настолько мелкую решетку что невозможно рассмотреть линии. Я это знал со школы и мне как-то этого хватало. Чем такого объяснения не достаточно?
    Ответить
    • aa > PavelS | 22.06.2015 | 23:16 Ответить
      На самом деле - есть. На это обращал внимание еще Эйнштейн. Так, если квантовая частица находится между двумя непроницаемыми стенками, то ее волновая функция представляет собой ... стоячую волну. Но при устремлении массы частицы к бесконечности, никакой "локализации" не происходит. Однако, если мы возьмем в качестве начального условия - волновой пакет, то согласно уравнениям Шредингера, чем больше масса частицы, тем медленнее расплывается этот пакет. Для макро тел это время будет чрезмерно большим. Однако, как появилось это "начальное условие"? Даже, когда описывают взаимодействие частицы со средой, то "редукцию" все равно делают. Например, читал в одной книге - если состояние частицы есть суперпозиция 1 и 2 (подразумеваются функции), а состояние "вещества - приемника" - 3 и 4, то общее состояние пишут как 1*3+2*4, в то же время, забывают, что есть еще состояние (1+2)*5. Т. е., когда частица входит в вещество и при этом редукция не происходит, реакция вещества - состояние 5. Но так как происходит редукция, состояния 5 - нет. Однако, говорят, что обходятся без редукции, усредняют состояние 1*3+2*4 по ансамблям и говорят, что "обошлись без редукции". То же можно проследить и в теории квантовой диффузии, например и как на самом деле делается переход в классическую диффузию. Нужно обратить внимание на строение гамильтониана для диффузии. Всегда берется такая реакция среды, для которой частица находится только в одном узле, а "суперпозиция" исключается. Хотя вероятность перехода в соседнее положение - меньше 1.
      Ответить
    • Игорь Иванов > PavelS | 24.06.2015 | 03:33 Ответить
      Не наблюдается по техническим причинам и реально нету — это разные вещи. Вы можете взять массивный объект с большим импульсом и мизерной длиной волны. Но эта мизерность — только продольная. Если у вас импульс строго фиксирован, то в поперечной плоскости у вас неограченный волновой фронт, т.е. оьхъект делокализован. Если его пропустить через щели, то на далеком экране возникнет интерференция. Решетка не мелкая, просто далеко экран надо ставить.
      Ответить
      • PavelS > Игорь Иванов | 25.06.2015 | 00:44 Ответить
        Для одиночного эксперимента пропускания частицы через решетку на далёком экране будет не "интерференция", а одна точка. Куда волновая функция "коллапсировала". Не? А для наблюдения интерференционной картины эксперимент надо повторять 100500 (стопицот) раз. Причем повторять с идеально монохроматическим пучком макрообъектов. Иначе наложение большого количества очень тонких цветных картин даст равномерно белый фон без каких-либо тонких структур - и как бы далеко вы экран ни ставили. Причем точно такой же белый экран дало бы "облучение" каждой щели по отдельности.

        Так вот я полагал что если подобную лазеру фабрику монохроматических макрообъектов пока построить не удаётся и не наблюдается и интерференционной картины.

        Про бозеконденсаты, разумеется, слышал, да, тут интересно. Но не слышал чтобы получали бозе-конденсат тяжелых молекул.
        Ответить
        • Игорь Иванов > PavelS | 26.06.2015 | 02:55 Ответить
          Это верно. Но я еще раз повторю — одно дело, когда эффект технически неосуществим из-за трудностей с приготовлением и контролем системы, а другое — когда есть принципиальные законы, вообще устраняющие этот эффект.
          Ответить
  • PavelS  | 22.06.2015 | 22:02 Ответить
    "...если у нас есть система с большим числом (N) степеней свободы и все они колеблются..." - фраза написана в терминах Ньютоновой механики. Электроны - это шарики, летают вокруг ядра... Колеблется электрон в атоме водорода? Так вот мне не ясно что значит "колеблются" в данном контексте. Означает ли это наличие возбуждённых колебательных уровней или просто нулевые колебания квантовой системы вокруг точки низшей энергии? А если охладить? Вся статья же тут о том, что охлаждение не поможет. А почему не поможет, почему охладив молекулу она не перестанет колебаться? Так ещё раз, о каком виде колебаний идёт речь? Если так, то что же там колеблется? Но если так, то и электрон в атоме водорода сместившись на пол-оборота уже должен портить интерференцию. Или не должен? См. также вопрос оратора (Морр) выше.

    PS: ИМХО правильно писать так, "у нас есть система с N степенями свободы, из которых M возбуждены". Но с охлаждением M стремительно убывает. Как итог, время когерентности должно возрастать. Что в целом и имеем. Не?
    Ответить
    • Игорь Иванов > PavelS | 24.06.2015 | 03:40 Ответить
      > фраза написана в терминах Ньютоновой механики.

      Фраза написана для популярного изложения. Более точно, рассматривается набор из N/3 невзаимодействующих точечных объектов, каждый из которых имеет три степени свободы, описываемые простеййшим гамильтонианом — осцилляторным. Внутреннее состояние задается распределением по числам заполнения каждого осциллятора. Это внутреннее состояния изначально берется нечистым, термальным. Всё вычисление сводится к тому, что за счет эффекта гравитационного замедления времени происходит запутывания центра масс и внутренний степеней свободы. Поэтому внутреннее термальное состояние начинает портить чистоту внешнего изначально чистого состояния, описывающего общий центр масс.
      Ответить
  • astrophysicist  | 22.06.2015 | 22:18 Ответить
    Насколько я понимаю, здесь речь идет вовсе не о потере когерентности в том смысле, в котором эта проблема стоит во весь рост в квантовой механике макрообъектов: когда и почему перестает работать квантовая механика и когда вещи начинают вести себя классическим образом? Здесь речь идет о гораздо более простом: это не декогеренция в собственном смысле, а всего лишь сдвиг фаз. Если для достаточно большой молекулы создать интерференцию путей разной длины и пустить по ним эту молекулу (что вполне можно сделать), то на выходе интереференционную картину будет наблюдать очень сложно просто из-за набежавшего большого сдвига фаз. Но это не имеет отношения к декогеренции. Декогеренция происходит в том и только в том случае, когда происходит квантовое перепутывание степеней свободы системы со степенями свободы окружения (или, например, прибора). В описанном эксперименте нет ничего подобного. Эффект от интерференции движений в разных гравитационных потенциалах эквивалентен просто интерференции при движении по путям разной длины. Разница вся только в том, что сдвиг фазы вызывается задержкой времени, а не более длинным путем. Никакого перепутывания с внешними степенями свободы здесь не происходит, а интерференционная картина действительно может смазаться просто из-за набегания большой разности фаз - как при прохождении путей разной длины. Никаких чудес. Но в работе квантового компьютера это, конечно, надо учитывать.
    Ответить
    • aa > astrophysicist | 22.06.2015 | 23:37 Ответить
      Как я понимаю, даже если взять вещество в виде "классических шариков", которые совершают колебания по закону Ньютона и на это вещество будет падать чисто квантовая частица (например, в виде плоской волны), то при прохождении такого вещества (а частица будет взаимодействовать с каждым шариком по некому потенциальному закону), то когда этих частиц будет очень много, то плоская волна превратится в набор "сгустков" плотности вероятности (за счет многочисленных сдвижек фазы частицы)и там уже редукция сделает "свое дело". Примерно так. И перепутывание здесь не обязательно. та же ситуация будет и в гравитации для больших молекул.
      Ответить
    • Игорь Иванов > astrophysicist | 24.06.2015 | 03:41 Ответить
      Там я выше описал в более четких терминах, что же вычисляется в статье. У меня в новости вс же излишне упрощенная картина описана, не очень точная.
      Ответить
    • pikovski > astrophysicist | 30.06.2015 | 00:22 Ответить
      Dear astrophysicist, you are mistaken. This work has nothing to do with "сдвиг фаз". The paths do not change lengths, and time dilation does not simply cause a phase shift. In previous studies, people have focused on phase shifts due to gravity, this is not at all the case in our work. Instead, we show how time dilation causes correlations with internal states and we derive the resulting decoherence. The entanglement with internal states in the crucial part, not any phase shift.
      Ответить
      • prometey21 > pikovski | 01.07.2015 | 21:45 Ответить
        Перевод с английского этого сообщения:

        Уважаемый астрофизик, вы ошибаетесь. Эта работа не имеет ничего общего с "сдвиг фаз". Пути не меняют длины, и замедление времени не просто вызвать сдвиг по фазе. В предыдущих исследованиях, люди сосредоточились на фазовых сдвигов из-за гравитации, это вовсе не так в нашей работе. Вместо этого, нам показывают, как замедление времени приводит к корреляции с внутренним состояниям и мы получаем в результате декогеренции. По сцеплению с внутренним состоянием в решающей части, а не фазовый сдвиг.

        Перевод "дубоватый", за неимением лучшего.
        Ответить
  • GaribalDI  | 23.06.2015 | 22:44 Ответить
    Всё проще: поскольку кварки двигаются внутри нуклонов, нуклоны - внутри ядра, электроны и ядра - внутри атомов, атомы - в молекулах и т.д. на каждом таком обороте каждый кварк и т.д. находится одновременно на разных высотах в гравитационном поле, где время течет по-разному, и т.д. Соответственно всё нафиг разорвёт, начиная с кварков, разнесёт и схлопнется! Нас давно уже нет. Пора шарашкину контору закрывать!
    Ответить
    • Игорь Иванов > GaribalDI | 24.06.2015 | 03:42 Ответить
      А вы будете заблокированы, если не остановитесь.
      Ответить
    • aa > GaribalDI | 24.06.2015 | 09:37 Ответить
      Наверно, Игорю нет желания вникать в подобные заявления, так как мы все люди занятые, как минимум - зарабатыванием денег. Я же решил вам отписать - ту ситуацию, которую вы описали действительно имела место если бы ... НЕ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА! До появления квантовой механики, "модель атома Резерфорда" не могла существовать дольше, чем около нс! Электрон падал на ядро, и все тут. Но деваться было некуда - в одних экспериментах по зависимостям коэффициента преломления вещества от частоты падающего света и коэффициента поглощения и в некоторых других экспериментах модель атома, где электроны сидели "внутри" положительно заряженной массы - работала просто прекрасно (причем, такой атом мог существовать бесконечно долго). В то же время, в экспериментах по рассеиванию работала другая модель - "планетарная", где электрона вращался вокруг ядра атома. Но такие атомы не могли существовать больше нс. Они схлопывались. Пока Нильс Бор не предложил идею того, что электрон в атомах не подчиняется закон классической физики... Хотя я давно уже здесь на элементах не был, возможно, вы просто "дерзите". У таких людей "своя психология". Может вас заинтересует такая страничка
      http://www.logoslovo.ru/forum/all_1/section_37_12/topic_5676/
      В наше время есть и лжеученые и у них тоже своя психология. Даже если все сделать, как они говорят, то мы не получим ничего из того, что они обещали. Это есть ложь.
      Ответить
      • GaribalDI > aa | 25.06.2015 | 21:24 Ответить
        > Пока Нильс Бор не предложил идею того, что электрон в атомах не подчиняется закон классической физики...

        замечательный метод объяснить всё, что угодно! Если невозможно, но очень хочется, то можно! Из статьи следует, что квантовая система в поле гравитации испытает декогеренцию. Кварки внутри нуклонов - квантовые объекты в поле гравитации, на них данный эффект, видимо, распространяется. Тогда, кварки или сами нуклоны, возможно, нестабильны (величину эффекта надо посчитать), либо учет данного эффекта должен как-то изменить характерные времена и сечения протекающих с участием нуклонов или кварков процессов. Тем не менее, в сильном взаимодействии пока ничего плохого не замечали, вселенная тоже на месте, значит, либо надо придумать универсальную отмазу, по типу постулата Нильса Бора (да просто электрон "не подчиняется"...) либо выкинуть эту статью на свалку.
        Ответить
  • GaribalDI  | 23.06.2015 | 22:54 Ответить
    соглашусь с теми, кто написал, что время, пространство и гравитация сами есть производное от материи. соответственно, когда пишут, что нелокальная молекула находится в поле гравитации, представляют эту самую гравитацию как нечто совершенно оторванное от молекулы и т.п. Но сама эта гравитация создана материей вокруг, которая тоже нелокальна. Соответственно имеем на самом деле не взаимодействие "одна квантовая система + гравитация", а всегда "много квантовых систем". И чё там с ними будет происходить, никто никогда не узнает, да и не интересует.
    Ответить
    • aa > GaribalDI | 24.06.2015 | 09:48 Ответить
      Хотел бы вам напомнить, что современные квантовые поля, которые имеют кучу своих проблем и при этом не плохо описывают многие эксперименты (возможно, ситуация немного похожа на ту, что была с "атомом Резерфорда") - дают нам куда более поразительную картину сотворенного Богом мира. Если опираться на незаконченные модели квантовой гравитации то фактически, трудно вообще говорить, что является производным пространство -время или материя. Там оно все "переплетено". Это как было в классической теории поля... Там частицы и поля строго отличались, и эта теория прекрасно описывала много явлений, даже вся система телевидения, радаров и прочие построена на этой теории. Однако, когда дело касалось явлений других экспериментов (тот же эффект Комптона), эта теория давала сбои. Квантовая электродинамика же эти эффекты описала хорошо и там такого четкого разграничения между полем и частицами уже нет. При дальнейших обобщениях на гравитацию, возникают еще более интересные явления.
      Ответить
    • aa > GaribalDI | 24.06.2015 | 10:02 Ответить
      В принципе, если учитывать, что иногда случалось так, что наука развивалась "по спирали", то могу напомнить идеи Эйнштейна, временно забытые. После успешного описания гравитации через геометрию Римана, он стал искать более обобщенную геометрию для описания электромагнитного поля. Действительно, если уж гравитация является "полем дальнодействия" и пронизывает галактики влияет на пространство - время, то логично было ожидать, что и электромагнитное поле так же влияет на пространство - время, так как оно является "полем дальнодействия" и "пронизывает галактики", например, магнитное поле. Однако, "нетрадиционной науке" здесь не место так как сайт создавался программистами и им соответственно платили за это деньги вовсе не для этих целей. Подобные вопросы следует обсуждать на других сайтах для этого предназначенные. Хотя согласен - там много можно почерпнуть лжи и невежества...
      Ответить
  • nicolaus  | 26.06.2015 | 07:50 Ответить
    У меня есть идея, которую я немного выносил здесь на обсуждение. Идея заключается в том, что в нейтронной звезде возможны сложные структуры на уровне ядерной материи, которые можно запрограммировать в виде супермощного квантового компьютера. По существу нейтронная звезда в этом случае превращается в новую рукотворную вселенную, где бы могли жить люди - в виртуальном виде конечно. Если учесть эффекты декогеренции в очень сильном гравитационном поле, то возможно, эта идея не является верной?

    Также, считается, что в нейтронной звезде вещество (на определенном горизонте) является сверхпроводящим и сверхтекучим. Однако, если учитывать эффект декогеренции под воздействием гравитации, то возможно это утверждение является ошибочным, т.к. считается что сверхпроводимость также связана с квантовыми эффектами. Известно, что сверхпроводимость может разрушить сильное электромагнитное поле. Возможно, ее может разрушить и сильное гравитационное поле?
    Ответить
  • pikovski  | 28.06.2015 | 21:02 Ответить
    Дорогой Игорь Иванов,

    I apologize for writing in English, I do not have a Russian keyboard. Thank you for writing about our research and for taking the time to carefully read and think about our results. This is very much appreciated, and I find your article to be one of the most accurate ones on our work. Glad that you found this research direction as interesting and exciting as we do.
    Ответить
    • Игорь Иванов > pikovski | 29.06.2015 | 01:58 Ответить
      Dear Igor, thanks to you too for your feedback. I'd also appreciate much if you could find some time to reply to the comments above which I myself was not completely sure how to answer in the most correct way.
      Ответить
    • GaribalDI > pikovski | 05.07.2015 | 18:46 Ответить
      а вы не тот за кого себя выдаете
      Ответить
  • constructivist  | 24.07.2015 | 01:54 Ответить
    Это если рассматривать воздействие внешнего гравитационного поля на молекулу, а если рассмотреть гравитационное воздействие молекулы на внешний мир? Ведь в зависимости от того, где она находится, она будет по разному притягивать другие объекты. То есть теоретически, имея очень точный прибор для измерения гравитационного поля, можно понять где именно она находится. Как она тогда будет находится в суперпозиции? Или принцип неопределённости не позволит произвести такие точные измерения.

    В статье говориться о том, что нужно заэкранировать систему от внешней среды, но от гравитации ничем не заэкранируешь. То есть так и получается: не смогли заэкранировать - никакой вам когерентности.
    Ответить
  • antianti  | 31.08.2015 | 15:05 Ответить
    господи, сколько можно ссылаться на время! ну не может оно ускоряться-замедляться-сжиматься и ходить в бар! его нет в природе! нет такой сущности, кроме как на бумаге! почему скорость, например, никто не рассматривает в отрыве от процесса, а время у нас вдруг стало 4м измерением? почему все вдруг стали трактовать математические абстракции как самостоятельные природные явления?
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»