Foto: AI/ScienceDaily

V hlubinách italské hory Gran Sasso se odehrává příběh, který by mohl změnit naše chápání kvantové mechaniky. Fyzici zde prováděli experiment, který měl odpovědět na otázku, zda gravitace hraje roli v tom, proč se kvantové jevy ztrácejí, když se objekty zvětšují.

Autor původního článku: redakce

Podivnost kvantového světa

Mezi světem částic a atomů a světem, který zažíváme každý den, se zdá, že kvantové chování mizí. Kvantová mechanika umožňuje částicím existovat v kombinacích možných stavů, což je fenomén známý jako superpozice. Tato zvláštnost inspirovala Schrödingerův slavný myšlenkový experiment s kočkou, která je zároveň živá i mrtvá, dokud není pozorována. Přesto se objekty v každodenním světě takto nechovají. Fyzici tento úbytek kvantových efektů nazývají dekoherence. Proč k dekoherenci dochází a zda v tom hraje roli gravitace, zůstává jednou z hlavních otevřených otázek ve fundamentální fyzice.

Experiment pod Gran Sasso

Nový experiment, podporovaný Foundational Questions Institute (FQxI), eliminoval jedno z významných vysvětlení zahrnujících gravitaci. Výsledky byly publikovány v New Journal of Physics v červnu 2026. „Jednou z nejhlubších otázek moderní fyziky je, proč se podivné kvantové chování, které ovládá atomy a elementární částice, zdá mizet ve makroskopickém světě, který zažíváme každý den,“ říká Catalina Curceanu, členka FQxI a ředitelka výzkumu a mluvčí VIP Collaboration v Národní laboratoři Frascati Národního institutu pro jadernou fyziku (INFN-LNF) v Itálii.

Testování role gravitace

Experiment byl proveden v INFN Gran Sasso National Laboratory (INFN-LNGS), největší podzemní laboratoři na světě věnované fundamentální fyzice. Výzkumníci se zaměřili na model, který navrhuje, že gravitace sama by mohla pomoci zničit kvantové superpozice. Podle Einsteinovy obecné teorie relativity masivní objekty zakřivují strukturu časoprostoru. V 60. letech 20. století maďarský teoretický fyzik Frigyes Károlyházy navrhl, že časoprostor může také podléhat malým, nevyhnutelným fluktuacím. V jeho modelu by tyto fluktuace postupně narušovaly kvantové superpozice.

Hledání slabého signálu

Předpovězené fluktuace časoprostoru nelze detekovat přímo. Ale pokud existují, měly by mít měřitelný vedlejší efekt. Způsobily by, že elektricky nabité částice by se pohybovaly a zrychlovaly náhodně. Tyto částice by pak měly vyzařovat extrémně slabé elektromagnetické záření. Detekce tak slabého signálu je obtížná, protože by mohl být snadno pohřben pod zářením z jiných zdrojů, včetně kosmických paprsků. Proto je Gran Sasso tak užitečné. Laboratoř se nachází pod 1,4 kilometru tlumícího kamene, který blokuje většinu pozadí, které by jinak komplikovalo hledání.

Výsledky experimentu

Výzkumníci použili detektor postavený kolem kusu vysoce čistého germania velikosti šálku na kávu, chráněného dalšími vrstvami mědi a olova. Sbírali data po dobu 62 dní, poté odstranili množství pozadí, které očekávali. Co zůstalo, bylo porovnáno se vzorem záření předpovězeným modelem Károlyházyho. Výsledek byl jednoduchý: žádný signál se neobjevil.

Dopad na teorii

Tento nález nedokazuje, že gravitace nemá nic společného s kvantovou dekoherencí. Místo toho vylučuje jednu důležitou verzi této myšlenky a dává fyzikům přísnější hranice pro budoucí teorie spojující gravitaci s kvantovou mechanikou. „Absence signálu je sama o sobě významným vědeckým výsledkem,“ říká Curceanu. „Tím, že vylučujeme jeden z nejstarších a nejpřirozenějších modelů dekoherence způsobené gravitací, tato práce zužuje hledání teorie popisující interakci mezi gravitací a kvantovou mechanikou, přibližuje nás o krok blíže k pochopení jedné z nejhlubších záhad ve fundamentální fyzice.“

Od teorie k testovatelné fyzice

Károlyházyho model je založen na myšlence, že příroda může uložit základní limit na to, jak přesně můžeme určit polohu objektu nebo měřit vzdálenost. Od doby, kdy byl model navržen, se podobné myšlenky objevily v několika moderních pokusech o sjednocení gravitace a kvantové mechaniky, včetně teorie strun a smyčkové kvantové gravitace. „Každý přístup ke kvantové gravitaci nakonec předpovídá existenci minimální délky spojené s nejistotou v měření časoprostoru,“ říká Kristian Piscicchia, kvantový fyzik z Enrico Fermi Research Center/INFN/VIP v Itálii a vedoucí experimentu.

Překračování hranic

Kvantová gravitace je často považována za téma, které leží daleko za dosahem současných experimentů. Ale tato studie přidává k rostoucím důkazům, že alespoň některé předpovědi zahrnující jak gravitaci, tak kvantovou mechaniku již mohou být testovány. „Přesné experimenty nyní dosahují úrovně citlivosti, kde mohou testovat myšlenky, které až donedávna patřily téměř výhradně do oblasti teoretické spekulace,“ říká Curceanu. „Jak se citlivost zlepšuje, hranice mezi teorií a měřením se neustále posouvá, otevírá nové možnosti pro objevování základních principů, které řídí náš vesmír.“

Výzkum byl podpořen Foundational Questions Institute, FQxI, prostřednictvím programu Vědomí ve fyzickém světě. „Typ výzkumu, který FQxI podporuje, spojuje týmy napříč generacemi, hranicemi a disciplínami,“ říká Curceanu. „Může skutečně fungovat jako inkubátor nových myšlenek.“