Гравитация наоборот: квантовое отталкивание

Бросьте камень вверх — он вернётся. Отпустите чашку — она упадёт. Гравитация всегда притягивает. Это настолько фундаментально, что Ньютон даже не пытался объяснить почему — просто записал закон. Эйнштейн позже переформулировал всё через искривление пространства-времени, но суть осталась: массы тянутся друг к другу. Всегда.

Или не всегда? Суготу Бозе из Университетского колледжа Лондона и Лев Вайдман из Тель-Авивского университета опубликовали препринт, в котором описывают ситуацию, когда гравитация отталкивает. Не в далёкой экзотической теории, а в конкретной лабораторной схеме с двумя крошечными массами, квантовой суперпозицией и хитрым отбором результатов.

Когда притяжение разворачивается

Чтобы понять фокус, нужны три ингредиента. Первый — квантовая суперпозиция.

Квантовая суперпозиция — состояние, в котором частица (или целый объект) существует сразу в нескольких положениях одновременно. Это не метафора: пока никто не измеряет, объект математически «размазан» по двум точкам пространства.

Представьте массу размером с песчинку, которую удалось поместить в суперпозицию двух положений: «слева» и «справа». Рядом стоит вторая масса — пробная. Она чувствует гравитацию первой. Если первая масса окажется справа (ближе), пробная масса чуть-чуть сдвинется к ней. Если слева (дальше) — почти не сдвинется. Пока всё логично.

Второй ингредиент — слабое измерение.

Слабое измерение — способ «подглядеть» за квантовой системой, почти не разрушая её состояние. Обычное измерение «схлопывает» суперпозицию; слабое — лишь чуть-чуть подталкивает стрелку прибора, сохраняя квантовую когерентность.

Гравитационное взаимодействие двух микроскопических масс — идеальный пример слабого измерения. Сила настолько мала, что импульс, переданный пробной массе, гораздо меньше её квантовой неопределённости. Прибор (пробная масса) едва дрогнул — суперпозиция источника почти нетронута.

Третий ингредиент — постселекция.

Постселекция — отбор только тех экспериментальных прогонов, в которых финальное измерение дало заранее выбранный результат. Вы проводите миллион экспериментов, а потом оставляете только те, где источник оказался в определённом состоянии.

Именно здесь происходит магия. Бозе и Вайдман выбирают для постселекции так называемый «тёмный порт» интерферометра — состояние, в которое источник попадает крайне редко. И когда вы смотрите только на эти редкие случаи, средний импульс пробной массы оказывается направлен… от источника. Гравитация стала отталкивающей.

Фокус с тёмным портом

Как это возможно? Ключ — в концепции слабого значения, придуманной Якиром Аароновым, Дэвидом Альбертом и Вайдманом ещё в 1988 году.

Слабое значение — среднее значение квантовой величины, вычисленное только по подмножеству экспериментов, прошедших постселекцию. Оно может выходить за пределы обычного спектра: быть огромным, отрицательным или даже комплексным.

Вот аналогия. Представьте, что вы кидаете монету сто раз. В среднем выпадает 50 орлов — ничего удивительного. Теперь представьте, что вы проводите хитрый отбор: из ста бросков оставляете только те, где второй кубик (который вы бросали параллельно) выпал на шестёрку. В этих отобранных прогонах среднее число орлов может оказаться 70 или 30 — в зависимости от корреляций между монетой и кубиком.

В квантовом мире корреляции могут быть гораздо экзотичнее. Слабое значение оператора «масса находится справа» после постселекции на тёмный порт оказывается равным примерно −1/ε, где ε — крошечный параметр асимметрии. Отрицательное число. И огромное по модулю.

Это значит: в отобранных прогонах пробная масса ведёт себя так, как будто рядом с ней находилась не обычная масса, а что-то с отрицательной массой — причём в −1/ε раз более массивное. Гравитационный сигнал не просто инвертируется, а усиливается.

Нанокристаллы вместо коллайдеров

Бозе — один из авторов знаменитого предложения BMV (Bose-Marletto-Vedral, 2017) по проверке квантовой природы гравитации настольными экспериментами. Новая работа развивает ту же философию: никаких ускорителей, никаких чёрных дыр. Только маленькие массы, магнитные поля и терпение.

Конкретная схема: нанокристалл алмаза с азотно-вакансионным центром (NV-центр) служит источником массы. Его спин связывают с положением кристалла через градиент магнитного поля — получается интерферометр Штерна-Герлаха. Кристалл весит около 10⁻¹⁴ кг и оказывается в суперпозиции двух положений, разнесённых на ~50 микрометров. Пробная масса — частица потяжелее (~10⁻¹² кг), выпущенная из оптической ловушки на расстоянии ~20 микрометров.

Между массами — сверхпроводящий экран, подавляющий все электромагнитные взаимодействия. Остаётся только гравитация.

Проблема в цифрах. Вероятность успешной постселекции — примерно ε²/4 ≈ 2,5 × 10⁻⁵. Вероятность отличить сдвинутое состояние от несдвинутого — около 10⁻². Итого: полезный результат даёт один из четырёх миллионов прогонов. Для статистически значимого результата нужно порядка 40 миллионов запусков.

Не антигравитация, а квантовый фильтр

Важно не обмануться заголовками. Ни один отдельный эксперимент не покажет отталкивания. В каждом конкретном прогоне пробная масса сдвигается к источнику — как и положено при обычной гравитации. «Отталкивание» появляется только в статистике отобранных прогонов. Это не новая сила и не нарушение общей теории относительности. Это следствие квантовой интерференции при особом выборе начального и конечного состояний.

Но это не делает результат тривиальным. Если эксперимент удастся провести, он покажет нечто принципиальное: гравитационное поле само может находиться в квантовой суперпозиции. А это — прямое свидетельство квантовой природы пространства-времени.

Сегодня мы знаем, что нейтроны и атомы ведут себя квантово в гравитационном поле Земли — это доказано интерферометрическими экспериментами. Но само гравитационное поле в тех экспериментах классическое: Земля не в суперпозиции. Схема Бозе-Вайдмана предлагает ситуацию, где источник гравитации квантован — и последствия наблюдаемы.

Работа является препринтом и ещё не прошла формальное рецензирование. Концепция слабых значений остаётся предметом философских дебатов в квантовом сообществе.

Зачем проверять квантовость гравитации

Гравитация — единственное из четырёх фундаментальных взаимодействий, которое до сих пор не имеет общепринятой квантовой теории. Электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия давно описаны квантовой теорией поля. Гравитация — нет. И главная причина: нет ни одного эксперимента, который бы показал, что гравитация нуждается в квантовом описании.

Предложение Бозе-Вайдмана — одна из попыток создать такой эксперимент. Если пробная масса после постселекции сдвинется от источника — это невозможно объяснить в рамках классической гравитации. Классическое поле не может порождать отрицательные слабые значения. Только квантовая суперпозиция пространства-времени даёт такой эффект.

До реализации далеко: нужна когерентность суперпозиции масс в течение секунд, позиционная чувствительность на уровне ангстремов, и подавление всех паразитных сил. Но сама постановка задачи — проверить квантовость гравитации на лабораторном столе, без космических масштабов и планковских энергий — уже меняет правила игры.