Гравитационную среду невозможно экранировать, поэтому она представляет особый интерес как неустранимый источник декогеренции. Прежние расчёты указывали, что гравитонная декогеренция пространственных суперпозиций заметна только для систем с импульсом порядка планковской массы. Однако недавно выяснилось, что внутренняя динамическая структура системы усиливает этот механизм. Данная работа продолжает это направление, добавляя влияние классического ньютоновского потенциала, и тем самым уточняет картину перехода от квантового к классическому поведению в присутствии гравитации.
Авторы рассматривают составную частицу с внешними (положение центра масс) и внутренними степенями свободы, взаимодействующую с квантованным гравитационным полем и классическим ньютоновским потенциалом. Используя формализм функционала влияния Фейнмана-Вернона, они прослеживают эволюцию редуцированной матрицы плотности внешних степеней свободы. Внутренние степени свободы моделируются как омическая среда при высокой температуре. Гравитоны рассматриваются в четырёх начальных состояниях: вакуумном, тепловом, когерентном и сжатом. Для простоты анализируются две конфигурации суперпозиции траекторий: одна с постоянным средним положением и изменяющимся расстоянием между ветвями, другая с линейно расходящимися путями.
В коротковременном пределе доминирует прямое взаимодействие с гравитонным батоном, и декогеренция возникает лишь при условии, что произведение массы на скорость значительно превышает планковский импульс. Для микроскопических масс эффект пренебрежимо мал. Однако в долговременном пределе вклад от взаимодействия гравитонов с внутренними степенями свободы растёт как куб времени и в конце концов преобладает, делая декогеренцию неизбежной даже для микроскопических масс. Например, для молекулы с массой около $10^{-22}$ кг, температурой внутренней среды $10^4$ K и размером суперпозиции порядка нанометра время декогеренции составляет примерно $10^5$ секунд (около 1,2 суток). Присутствие ньютоновского потенциала слегка замедляет этот процесс. Для систем без внутренней динамики вклад ньютоновского потенциала может привести к формальной рекогеренции, но соответствующие времена сравнимы с возрастом Вселенной.
Работа показывает, что внутренняя структура квантовой системы принципиально меняет долговременное поведение гравитационной декогеренции, предотвращая насыщение, характерное для точечной частицы. Это отличает её от соседних исследований, которые либо рассматривали только точечные частицы, либо не учитывали одновременное влияние классического потенциала. Результат важен для понимания границ применимости квантовой механики и роли гравитации в процессе измерения.
Возможно обобщение на релятивистские частицы и квантовые поля, а также на другие классические фоны, например шварцшильдовский или расширяющуюся Вселенную. Интересен вопрос о том, могут ли негравитационные среды, такие как электромагнитное поле, опосредовать и усиливать гравитационную декогеренцию.
Результаты могут повлиять на интерпретацию экспериментов с молекулярной интерферометрией, левитирующими наночастицами и механическими резонаторами, хотя наблюдаемые времена декогеренции пока слишком велики для современных установок.
Следующим шагом может стать изучение влияния негравитационных сред на усиление гравитационной декогеренции, а также рассмотрение релятивистских поправок и нейтринных осцилляций.
Работа связана с фундаментальной проблемой квантово-классического перехода и роли гравитации в коллапсе волновой функции. Она также касается открытого вопроса о том, можно ли экспериментально подтвердить квантовую природу гравитации через косвенные эффекты декогеренции.
Для реликтовых гравитонов, которые, как предполагается, находятся в сильно сжатом состоянии с параметром сжатия порядка 100, время декогеренции может уменьшиться в $10^{29}$ раз по сравнению с вакуумным состоянием.
В романе Грега Игана «Карантин» квантовые суперпозиции и их коллапс под действием наблюдателя играют центральную роль. Идея о том, что гравитационное окружение может неустранимо разрушать квантовую когерентность, перекликается с этим сюжетом.