Физики открыли новые странные черты у квантовой неопределенности

МОСКВА, 17 июн – РИА Новости. Китайские и австралийские экспериментаторы нашли новые намеки на то, что поведение некоторых квантовых частиц в теории можно предсказать, особым образом "нарушая" принцип неопределенности Гейзенберга. Результаты их опытов были представлены в журнале Science Advances.

«

"Теоретики полагают, что мы можем измерить положение частиц, почти не влияя на скорость ее движения. Означает ли это, что Гейзенберг ошибался? Наши эксперименты показали, что так говорить преждевременно – мы выяснили, что скорость всегда меняется, причем степень этих изменений действительно соответствует принципу неопределенности", — рассказывает Говард Уайзмен (Howard Wiseman) из университета Гриффита в Натане (Австралия).

Принцип неопределенности Гейзенберга - фундаментальный закон квантовой механики — ограничивает точность измерения скорости и положения частиц. В соответствии с ним, мы можем или точно измерить положение частицы, или определить, с какой скоростью она движется, что ограничивает точность квантовых замеров и заставляет ученых идти на разные ухищрения при разработке квантовых систем.

К примеру, одной из таких хитростей является прием, который физики называют "сжатием света". Он минимизирует эту неточность и позволяет максимально точно измерить один из двух параметров - его амплитуду или фазу за счет полного незнания второго свойства. И при применении "сжатого света", и при обычных квантовых замерах часть информации, которую несли в себе изучаемые частицы, безвозвратно теряется.

Два десятка лет назад, как отмечает Уайзмен, многие теоретики задумались о том, насколько фундаментален этот принцип, анализируя то, как можно провести один из самых простых и "древних" экспериментов, раскрывающих неопределенность квантовой механики.

Его впервые провел английский физик Томас Юнг еще в самом начале XIX века. Он заметил, что если мы пропустим луч из одиночных фотонов через ширму с двумя параллельными щелями, удаленными друг от друга на расстояние, соответствующее длине волны света, то тогда мы увидим три ярких полосы, состоящие из точек.

При этом, если мы попытаемся узнать, через какую из "дырок" будет идти фотон, подставив детектор света под одну из них, то тогда полосы просто исчезнут. Подобное поведение частиц заставило ученых задуматься – как на самом деле движутся частицы, где они находятся до того, как мы их измерим, и похожа ли их траектория движения на линию, конус или вообще что-то иное.

Большинство физиков сегодня полагает, что на самом деле частица света не "прыгает" между двумя щелями, двигаясь по какой-то сложной траектории, а не имеет какого-то определенного положения в пространстве в принципе. Она обретает это свойство только при попытке его измерить, мгновенно оказываясь в одной из возможных точек совершенно случайным образом.

Два десятка лет назад теоретики придумали методику, которая позволяет измерить положение частиц света, почти не влияя на их скорость движения. Это заставило многих ученых сомневаться в том, что принцип неопределенности работает так, как считали сторонники общепринятой интерпретации квантовой механики. Уайзмен и его коллеги проверили, так ли это на самом деле, реализовав эти опыты на практике.

С одной стороны, их наблюдения показали, что положение частицы действительно можно предсказать с достаточно большой точностью, используя подобные методы наблюдений. При этом, однако, характер их движения, как на то указывают результаты последующих расчетов, на самом деле полностью соответствовал выкладкам Гейзенберга.

«

"На первый взгляд вам может показаться, что мы "нарушили" принцип неопределенности. На самом деле, как показали наши наблюдения, это не так – скорость частиц меняется не сразу, а через некоторое время после того, как они покинули щели. Эти эффекты наблюдались на расстоянии в пять метров от установки", — продолжает австралийский физик.

При этом, что интересно, поведение частиц, по словам ученых, хорошо описывается и полностью укладывается в одну из альтернативных интерпретаций квантовой физики, теорию де Бройля-Бома. Она постулирует, что частицы движутся по четко заданным траекториям, подмножество которых задает так называемая "функция-пилот", представляющей собой еще одну волновую функцию.

Положение частицы в этой теории задается изначальным состоянием волновой функции — иными словами, оно имеет вполне определенный характер, но его в принципе нельзя точно вычислить из-за того, что мы не можем измерить свойства управляющего ей "пилота". Это, как считают сторонники этой идеи, и объясняет кажущуюся случайность квантового мира.

Несмотря на многие плюсы этой интерпретации квантовой механики, ее часто критикуют за то, что она требует существования явной нелокальности – возможности воздействия и связи одной частицы с другой на каком угодно расстоянии и при любых масштабах.

Это напрямую противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, в справедливости которой никто не сомневается, и многим другим положениям современной физики, из-за чего идеи Бройля и Бома редко воспринимаются всерьез научным сообществом. С другой стороны, как подчеркивает Уайзмен, прямых противоречий ее выкладкам пока не было найдено, и их эксперименты еще раз указывают на то, что отвергать ее преждевременно.