Рассказываем, как ученые намерены превратить теорию квантовой механики в научный факт.
Физики и исследователи из разных лабораторий близки к доказательству теории, которая лежит в основе глубинного понимания... в общем-то, всего.
Теория, о которой идет речь, относится к квантовой механике — разделу физики, который объясняет законы Вселенной движением субатомных частиц. Доказать ее было сложнейшей задачей для ученых.
Чтобы теория перешла в разряд научных фактов, физики должны своими глазами наблюдать определенные явления, которые до сих пор существовали только на бумаге. Это будет непросто — как свидетельствует эффект наблюдателя, простого взгляда на квантовую частицу достаточно, чтобы изменить ее поведение.
Физики планируют избежать этого, осуществив захват частицы света из воздуха и ее «левитацию» в лазерном поле с помощью изобретенного в 70-х устройства под названием «оптический пинцет».
В основе оптического пинцета, или однолучевой градиентной силовой ловушки, лежит тот факт, что свет оказывает давление на массу в виде излучения.
Представьте, что отдельная частица света — это баскетбольный мяч. Обычно эта частица движется настолько быстро, что в какой-то момент становится невозможно определить, движется она вверх или вниз — как если бы кто-то играл в баскетбол на сверхзвуковой скорости. Чтобы определить ее положение, нужно сделать снимок или провести измерение.
Теперь представьте, что это положение может быть одновременно и наверху, и внизу. И что попытки определить его вынуждают частицу перестать находиться в обоих состояниях сразу и оказаться либо внизу, либо наверху. Из-за этого практически невозможно наблюдать переход от обоих состояний к одному конкретному.
Теория квантовой механики гласит, что частицы могут пребывать в двух разных состояниях одновременно — но только очень короткий промежуток времени. Представьте, что баскетбольный мяч на какую-то на наносекунду движется и вверх, и вниз одновременно, а затем только либо вверх, либо вниз. Тот самый момент перехода из одного состояния в другое называется коллапсом (редукцией) волновой функции.
Физики надеются использовать оптические пинцеты, чтобы замедлить частицы, удерживая их в воздухе. Это называется основным состоянием — оно необходимо для наблюдения за коллапсом волновой функции согласно стратегии, выдвинутой в 2013 году группой исследователей во главе с Тунчан Ли и Лу Мин Дуань.
После замедления частицы будут запутаны в структуре наноалмаза с искусственно созданными дефектами в кристаллической решетке, который также пребывает в левитации. Затем за счет процесса квантовой телепортации под названием «суперпозиция» физики смогут наблюдать частицу в двух разных физических положениях (а именно ее северный полюс, обращенный одновременно вверх и вниз) благодаря квантовой запутанности.
Как только исследователи достигнут суперпозиции в этих невероятных условиях, они смогут наблюдать квантовую редукцию, поскольку никто не знает, куда на самом деле в тот или иной момент направлен полюс частицы.
Все это звучит подозрительно, но физики поддерживают теорию квантовой механики. И наблюдение квантовой редукции будет иметь большое значение для дальнейших исследований за пределами базовых теорий.
