# Квантовая физика и врата в новую реальность: пять экспериментов Влатко Ведрала

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=TKBqNHEHgj0
Канал: The Royal Institution
Опубликовано: 17.02.2026

---

В лекции для научно-исследовательского института The Royal Institution известный физик-теоретик Влатко Ведрал представляет глубокий анализ возможности экспериментального объединения квантовой механики и общей теории относительности. Опираясь на стремительный взлет квантовых технологий, Ведрал предлагает отказаться от чисто умозрительных спекуляций в пользу пяти конкретных лабораторных тестов. По мнению ученого, именно радикальный подход к проверке фундаментальных физических принципов позволит человечеству в ближайшее десятилетие заглянуть за горизонт современной научной картины мира и обнаружить первые нарушения теории Эйнштейна.

## 🛠️ Новый виток технологической революции: от мысленных экспериментов к инженерии
[[JUMP:0:05]]

В последние 20 лет, начиная с 2000 года, мировая наука столкнулась с экспоненциально быстрым развитием квантовых технологий. Как отмечает Влатко Ведрал, если раньше создание полномасштабного квантового компьютера казалось лишь красивым мысленным экспериментом или далекой мечтой, то сегодня в эту гонку включились крупнейшие мировые промышленные гиганты. Чувствительность измерительных приборов выросла настолько, что ученые получили возможность тестировать глубокие теоретические концепции на практике.

Влатко Ведрал проводит историческую параллель между текущим моментом и Первой промышленной революцией:

* Сначала инженеры создавали работающие механизмы (например, паровые двигатели) эмпирическим путем.
* Лишь затем физики начинали задаваться фундаментальными вопросами о пределах возможностей этих систем, формулируя законы термодинамики и принципы сохранения энергии.

По мнению исследователя, современная квантовая информатика повторяет этот путь — инженерный прогресс подталкивает фундаментальную науку к поиску ответов на базовые вопросы устройства мироздания.

## 📦 Куб физики и философия радикального консерватизма
[[JUMP:2:28]]

Для описания границ применимости физических законов Влатко Ведрал использует знаменитый «куб физических теорий». В его системе координат три оси представляют фундаментальные константы:

1.  Гравитационная постоянная Ньютона ($G$);
2.  Постоянная Планка ($h$), отвечающая за квантовые эффекты;
3.  Обратная скорость света ($1/c$), где устремление скорости к бесконечности возвращает нас к нерелятивистской механике.

Человечество хорошо освоило области классической механики и квантовой теории поля, однако вершина куба, где одновременно важны и квантовые эффекты, и сильная гравитация (область квантовой гравитации), до сих пор остается неизученной. Физик указывает, что в научном сообществе существуют полярные мнения: часть теоретиков выдвигает гипотезы, согласно которым гравитация должна оставаться классической, даже взаимодействуя с квантовым миром. Сам Ведрал категорически не согласен с этой идеей, что делает современную дискуссию крайне захватывающей.

В своих исследованиях Ведрал руководствуется принципом «радикального консерватизма», сформулированным американским физиком Джоном Уилером в середине XX века. Суть этого методологического подхода заключается в следующем:

* **Консервативная часть:** ученые принимают за истину базовые принципы наших лучших и наиболее успешных теорий — квантовой механики и общей теории относительности.
* **Радикальная часть:** эти принципы намеренно экстраполируются в экстремальные домены, где они еще никогда не проверялись экспериментально и где их совместное существование кажется невозможным.

Именно так, через поиск компромиссов между тем, какие классические принципы удержать, а какие отбросить под давлением фактов, рождались все прошлые научные революции.

## 🔮 Суперпозиция: единственная тайна квантового мира
[[JUMP:6:32]]

По утверждению Ричарда Фейнмана, знаменитого ученого и ученика Джона Уилера, в квантовой механике существует лишь одна истинная загадка — принцип суперпозиции. Ведрал подчеркивает, что этот принцип является главным объектом его «консервативной» защиты. 

Классический эксперимент с одиночным фотоном, проходящим через полупрозрачную стеклянную пластину (светоделитель), демонстрирует, что частица с вероятностью 50% отразится в первый детектор и с вероятностью 50% пройдет во второй. Квантовая механика принципиально не позволяет предсказать исход одиночного теста, что в свое время вызывало жесткое неприятие Альберта Эйнштейна, утверждавшего, что «Бог не играет в кости». Физика становится детерминированной только при многократном повторении эксперимента, когда выстраивается четкая статистика соотношения результатов.

Однако если убрать детекторы, поставить зеркала и свести оба пути фотона на втором светоделителе, ситуация кардинально меняется: сигнал всегда регистрируется только на одном из датчиков. Влатко Ведрал объясняет, что для интерпретации этого явления физика обязана признать факт: фотон одновременно движется по обоим направлениям интерферометра. Проявляя волновые свойства, волны в одном направлении полностью гасят друг друга (находятся в противофазе), а в другом — усиливают. 

В качестве масштабного примера Ведрал приводит гипотетический «космический интерферометр», где свет от далекой звезды огибает черную дыру благодаря гравитационному линзированию. Если ученые разместят детектор с одной стороны черной дыры и не зафиксируют клик, квантовая механика мгновенно гарантирует присутствие фотона на противоположной стороне за миллионы километров. Эйнштейн называл это «жутким дальнодействием», однако Ведрал напоминает, что природа действительно устроена таким образом, и это никак не нарушает специальную теорию относительности, поскольку не позволяет передавать информацию быстрее скорости света.

Сегодня физики успешно осуществляют подобные эксперименты не только со светом или субатомными частицами, но и с крупными молекулами, а также вплотную приближаются к созданию суперпозиции живых систем — вирусов и бактерий.

## ⏳ Парадоксы относительности: когда время теряет абсолютность
[[JUMP:13:51]]

Специальная теория относительности Эйнштейна столь же контринтуитивна, как и квантовая механика. Хрестоматийный «парадокс близнецов» гласит, что время течет медленнее для того, кто движется с высокой скоростью. На практике это многократно подтверждено точнейшими атомными часами, которые отправляли самолетами в Австралию и обратно: по возвращении их показания фиксировали «омоложение» относительно неподвижных часов, оставшихся в лаборатории. Главным вкладом Эйнштейна стало разрушение концепции абсолютной одновременности: события, происходящие одновременно для неподвижного наблюдателя, для человека в движущемся поезде будут разделены во времени.

Для демонстрации масштаба этого явления Ведрал описывает так называемый «парадокс Андромеды»:

* Два человека идут по улице в противоположных направлениях на Земле.
* В это же время в далекой галактике Андромеда инопланетные генералы заседают в военном штабе, решая вопрос о вторжении на Землю.
* Из-за огромного расстояния даже незначительная разница в направлении движения пешеходов радикально смещает их плоскости одновременности.
* С точки зрения женщины, идущей в сторону Андромеды, генералы уже проголосовали и решение принято.
* Для мужчины, шагающего в противоположную сторону, генералы еще даже не зашли в зал заседаний.

Этот пример подчеркивает относительность определенности будущего и ставит вопрос о том, как данный релятивистский принцип сочетается с квантовой суперпозицией.

## 🧬 Эксперимент №1 и №2: Старение в суперпозиции и гравитационное замедление
[[JUMP:18:34]]

Используя каламбур известного британского комика Питера Кука «Трагически я был единственным близнецом», Влатко Ведрал предлагает концепцию **первого эксперимента**: воспроизвести парадокс близнецов с помощью всего одной частицы (одиночных атомных часов).

Ученый предлагает отправить атомные часы в состояние квантовой суперпозиции по двум пространственным путям. Один из путей предполагает высокоскоростное путешествие с последующим возвращением в точку старта. В результате мы получим один и тот же физический объект, который с определенной квантовой вероятностью является одновременно и более молодым, и более старым. Наш повседневный язык не приспособлен для описания таких феноменов, однако теории требуют воспринимать это всерьез. При попытке измерить время таких часов сработает квантовый детерминизм «игры в кости»: наблюдатель с вероятностью 50% зафиксирует либо молодое, либо старое состояние системы.

**Второй эксперимент** Ведрала затрагивает общую теорию относительности (ОТО) и гравитационное замедление времени, популяризированное в голливудском фильме «Интерстеллар». Объекты, находящиеся ближе к центру гравитации, стареют медленнее. Физик делится поразительным фактом:

> «Мои и ваши ноги на самом деле стареют медленнее, чем голова. Конечно, разница крошечная — порядка $10^{-16}$ секунды, что не играет роли для биологии, но сам градиент существует».

Современные атомные часы фиксируют изменение хода времени, если их приподнять над столом всего на 10 сантиметров. Ведрал предлагает направить одну ветвь квантовой суперпозиции в область с более сильным гравитационным полем (ниже), а вторую — в область с более слабым (выше). 

Математический расчет показывает, что итоговая разность фаз при воссоединении путей будет содержать два слагаемых:

1.  Ньютоновский вклад (потенциальная энергия $mgh$);
2.  Чисто релятивистскую поправку ОТО.

Этот эксперимент позволит впервые проверить общую теорию относительности в непосредственном контакте с квантовой суперпозицией, где, по мнению скептиков, привычные законы могут дать сбой.

## ↩️ Стрела времени, молекулярный хаос Больцмана и эксперимент №3
[[JUMP:25:53]]

Создание квантовых компьютеров сопряжено с колоссальными трудностями именно потому, что восстановление квантовой интерференции требует идеального сведения путей суперпозиции обратно в одну точку. Как утверждает Влатко Ведрал, это фактически эквивалентно обращению стрелы времени вспять. Основной вопрос заключается в том, насколько массивным может быть объект, чтобы мы все еще могли «отменить» его эволюцию и зафиксировать интерференцию.

Истоки этой проблемы лежат в дискуссиях Людвига Больцмана с коллегами в Вене в конце XIX века. Больцман пытался объяснить, почему в обратимой ньютоновской механике растет беспорядок (энтропия), и ввел постулат «молекулярного хаоса». Согласно его логике, при соударении атомов мы мгновенно теряем информацию о том, куда отлетел конкретный микрообъект. Если собрать все молекулы воздуха в одном углу комнаты, они быстро и хаотично заполнят ее целиком. Но вернуть их назад невозможно, поскольку из-за колоссального числа столкновений стирается информация об исходном состоянии. 

Когда коллега Больцмана Йозеф Лошмидт заявил, что достаточно просто изменить направление скоростей всех атомов на противоположное, чтобы вернуть систему назад, Больцман иронично ответил ему на открытке: «Ну так иди и разверни их». На другое возражение Эрнста Цермело о том, что согласно теореме Пуанкаре система рано или поздно сама вернется в исходное состояние (квантовое возвратное время), Больцман ответил: «Ну так иди и подожди», намекая, что время ожидания превышает возраст Вселенной.

В качестве **третьего эксперимента** Влатко Ведрал предлагает пойти дальше Больцмана: перевести сложную систему в квантовую суперпозицию, где в одной пространственной локации динамика процессов будет развиваться в обычном режиме (вперед во времени), а во второй — в обратном (минус-первая степень оператора эволюции). Создание суперпозиции противоположных стрел времени для сложной макросистемы звучит парадоксально, но, как подчеркивает физик, квантовая механика способна справиться с этой задачей.

## 🍏 Принцип эквивалентности Эйнштейна против квантового распада
[[JUMP:33:35]]

Объединение квантовой механики и ОТО буксует из-за полного отсутствия экспериментальных зацепок, из-за чего конкурируют не менее пяти классов теоретических моделей. Ведрал совместно с коллегой Киарой Марлетто решил проверить квантовым путем краеугольный камень ОТО — принцип эквивалентности, который сам Эйнштейн называл «самой счастливой мыслью в своей жизни». 

Суть принципа иллюстрируется мысленным экспериментом с падающим лифтом: находясь в закрытом падающем боксе, человек не чувствует веса, а брошенные им предметы парят рядом, поскольку гравитация заставляет все тела падать с одинаковым ускорением. Падение в гравитационном поле локально «отключает» гравитацию, превращая рамку отсчета в инерциальную. Эйнштейн обожал демонстрировать это с помощью простой игрушки: чашки, к которой на резинке прикреплен шарик для пинг-понга. В обычном состоянии шарик свисает снаружи, так как сила упругости резинки уравновешена гравитацией. Но стоит отпустить чашку в свободное падение — гравитация «исчезает», резинка сжимается, и шарик мгновенно влетает внутрь чашки.

Ведрал задает радикальный вопрос: что произойдет, если запустить объект в суперпозиции «падения и непадения» одновременно? В рамках подготовки теоретической статьи шесть ведущих физиков разбились на группы и не смогли прийти к единому мнению, дискуссия продолжается до сих пор. 

Идея эксперимента состоит в запуске микрообъекта по двум траекториям:

* Первая — баллистическая траектория свободного падения в гравитационном поле (как пушечное ядро);
* Вторая — движение с постоянной скоростью по искусственной горизонтальной опоре.

Ведрал убежден, что принцип эквивалентности должен выполняться независимо в каждой «ветви» суперпозиции. Модель его коллеги Роджера Пенроуза, утверждавшего, что гравитация вызовет коллапс волновой функции и разрушит суперпозицию, в данном контексте оказывается неверной. Это подтверждают и реальные тесты израильского физика Рона Фольмана, который на специальном микрочипе с помощью оптических полей разделил пучок конденсата Бозе — Эйнштейна (облако из миллионов атомов, ведущих себя как один сверхатом) на баллистический и прямолинейный потоки. Суперпозиция успешно выжила, доказав, что обе теории выдерживают квантовую проверку «ветвь за ветвью».

## 🕸️ Эксперименты №4 и №5: Квантовая природа гравитации через запутанность
[[JUMP:41:01]]

Самым долгожданным и важным тестом современности Влатко Ведрал считает **четвертый эксперимент**, разработанный его командой параллельно с группой Сугато Боуза из Университетского колледжа Лондона (UCL). Цель — доказать, что само гравитационное поле обладает квантовыми свойствами и способно находиться в состоянии суперпозиции. Сегодня около десяти лабораторий по всему миру участвуют в технологической гонке за право первыми реализовать эту схему.

Главная сложность заключается в том, что гравитация — самое слабое из фундаментальных взаимодействий, поэтому ученым требуются достаточно массивные объекты, но при этом необходимо полностью исключить электромагнитные помехи (используя строго нейтральные тела). 

Суть эксперимента заключается в использовании двух масс, каждая из которых переводится в состояние пространственной суперпозиции (позиции $0$ и $1$). Если гравитация имеет квантовую природу, ньютоновское притяжение должно возникнуть между всеми элементами суперпозиции одновременно по четырем независимым каналам. В результате взаимодействия, согласно предсказанию Эрвина Шрёдингера, должна возникнуть квантовая запутанность — феномен, не имеющий аналогов в классической физике. Если при измерении первой массы мы обнаружим ее в точке $0$, вторая масса мгновенно и гарантированно окажется в строго определенной сопряженной позиции, подтверждая «жуткое дальнодействие». 

Физик приводит жесткие инженерные требования, необходимые для реализации этого прорыва:

* **Масса тел:** порядка 1 нанограмма ($10^{-12}$ кг) — огромный объект для квантового микромира, который еще никогда не удерживали в суперпозиции;
* **Дистанция:** интерферометры необходимо сблизить на расстояние около 1 микрона ($10^{-6}$ метра);
* **Время когерентности:** удерживать массы в состоянии суперпозиции нужно как минимум 1 микросекунду (миллионную долю секунды).

В микромире шумы и вибрации действуют в миллионы раз быстрее, поэтому любая неучтенная побочная сила способна мгновенно уничтожить запутанность. Тем не менее, игра стоит свеч: фиксация гравитационной запутанности докажет наличие у гравитации квантовых степеней свободы.

Аналогичный **пятый эксперимент** готовит группа Маркуса Аспельмейера и нобелевского лауреата 2022 года Антона Цайлингера в Вене. Они планируют использовать две микросферы, вибрирующие в непосредственной близости друг от друга в состоянии квантовой суперпозиции, чтобы зафиксировать их пошаговое квантово-гравитационное сцепление.

## 🔮 Будущее физики: на пороге новой реальности
[[JUMP:50:02]]

Физика уже вплотную подошла к макроскопическому квантовому домену. Влатко Ведрал напоминает, что недавние Нобелевские премии присуждались ученым, доказавшим квантовое поведение макроскопических электрических цепей и сверхпроводников. Школьное правило Кирхгофа, утверждающее, что ток на разветвлении кабеля делится на части, в квантовом мире оказывается неверным: в сверхпроводящих кубитах электрический ток идет по обоим направлениям одновременно.

Теоретик делает откровенное признание:

> «Как ученый я ставлю на то, что гравитация успешно пройдет тест и окажется квантовым полем. Но втайне я надеюсь, что эксперимент провалится. Ведь если запутанности не возникнет, это будет означать, что наши фундаментальные представления глубоко ошибочны, и мы абсолютно не понимаем, что делать дальше. Это было бы по-настоящему прекрасно».

По оценкам Ведрала, человечество находится на расстоянии максимум одного десятилетия от первой экспериментальной фиксации нарушения уравнений Эйнштейна. Как только квантовая природа тяготения будет доказана, общую теорию относительности придется кардинально модернизировать, чтобы включить в нее принцип суперпозиции, под знаком которого пройдет физика XXI века.