Революция във възприятието: Как квантовите референтни рамки променят представата ни за реалността

Референтните рамки играят важна роля в класическата физика, като се започне с работата на Галилей, Нютон и Айнщайн. Те позволяват да се определят положенията и времената спрямо избрана отправна точка. Айнщайн използва тази концепция за своята теория на относителността, показвайки, че пространството и времето не са статични декорации, а динамични единици, които могат да променят своите свойства.

В квантовата механика референтните рамки дълго време остават в периферията на изследванията. В повечето експерименти се приема, че наблюдателите, дори когато се намират на различни места използват обща отправна система. Новите изследвания обаче показват, че референтните рамки в квантовия свят могат сами по себе си да се намират в състояние на неопределеност. Например референтната рамка, свързана с един обект може да се намира на няколко места по едно и също време, а измерванията на времето могат да зависят от квантовата неопределеност.

Както отбелязва Ренато Ренър, физик-теоретик от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих, в квантовия свят референтните рамки трябва да бъдат описани чрез формализма на квантовата теория. В неотдавнашна си работа физикът Часлав Брукнер от Института за квантова оптика и квантова информация към Виенския университет и колегите му показаха, че квантовите референтни рамки променят начина, по който разглеждаме явления като суперпозиция и квантово заплитане.

Това изследване предполага, че квантовите референтни рамки могат да помогнат за разрешаването на някои парадокси, които възникват при квантовите мисловни експерименти.

Освен това изследователите се надяват, че изучаването на квантовите референтни рамки ще помогне да се доближим до разбирането на квантовата гравитация – област, която се стреми да обедини гравитацията с други фундаментални взаимодействия.

Концепцията за квантовите референтни рамки е въведена за първи път през 1984 година, но нейното преосмисляне започва около 2019 година, което предизвиква бурна изследователска дейност. Тези работи променят начина, по който се възприемат фундаментални свойства като суперпозиция (когато даден обект може да се намира в няколко състояния едновременно) и заплитане (когато частиците споделят общо състояние и измерването на едната мигновено определя състоянието на другата, независимо от разстоянието между тях).

Например, ако една отправна система е свързана с квантов обект с неопределено местоположение, то от гледна точка на друга отправна система първото местоположение ще изглежда размазано. Ако и двете референтни рамки са свързани с обекти в суперпозиция, техните състояния изглеждат свързани чрез заплитане. Това се отнася и за реда на събитията. Събитие, което настъпва по-рано в едната референтна рамка, може да се намира в състояние на суперпозиция в другата, където то настъпва както по-рано, така и по-късно от друго събитие. Всичко зависи от избраната референтна рамка.

Тези открития имат значение за изучаването на гравитацията.

В общата теория на относителността на Айнщайн гравитацията се описва като изкривяване на пространство-времето от масивен обект, но какво се случва, когато самият обект е в състояние на суперпозиция? Според Виктория Кабел от групата на Брукнер преминаването към референтна рамка, свързана със суперпозиция позволява точно да се определи положението на обекта и да се изчисли гравитационното му поле, което улеснява задачата.

Тези подходи могат да бъдат полезни при експерименти с малки маси в състояние на суперпозиция. Например, физиците Киара Марлето и Влатко Ведрал от Оксфорд са предложили да се изследва как суперпозицията на две маси влияе на техните гравитационни полета. Това е важна стъпка към разработването на теория на квантовата гравитация.

Въпреки това концепцията за квантовите референтни рамки все още е спорна. Все още не съществуват стандартни методи за дефинирането им и за превеждането между тях. Въпреки това това изследване може да е ключът към разбирането на фундаменталните закони на природата.