Квантовая механика долгое время оставалась делом нескольких частиц. Один фотон, один электрон, в лучшем случае пара запутанных атомов. Масштабы, на которых квантовые эффекты проявлялись уверенно, были ничтожно малы, и казалось, что между квантовым миром и нашей повседневной реальностью лежит непреодолимая пропасть. Новый эксперимент по суперпозиции эту пропасть заметно сузил.
Физикам удалось перевести в состояние квантовой суперпозиции тысячи атомов одновременно. Не десяток, не сотню — тысячи. Это число может показаться незначительным на фоне, скажем, числа Авогадро, но для квантовой физики оно огромно. До сих пор удерживать суперпозицию на таких масштабах считалось если не невозможным, то крайне трудноосуществимым.
Материалом для эксперимента послужили наночастицы натрия. Исследователи заставили эти частицы вести себя как волна, а не как твёрдые объекты. Это самое сердце квантовой механики: корпускулярно-волновой дуализм. На уровне отдельных фотонов мы к этому давно привыкли. На уровне тысяч атомов, собранных в наночастицу, — это совсем другая история.
Суперпозиция — штука хрупкая. Любое взаимодействие с окружающей средой разрушает её, и объект «схлопывается» в одно определённое состояние. Чем больше частиц вовлечено, тем больше потенциальных взаимодействий, тем быстрее всё рушится. Поэтому масштабирование квантовых эффектов вверх — это количественный рост и качественный скачок в сложности.
Само название «состояние кота Шрёдингера» отсылает к знаменитому мысленному эксперименту 1935 года, в котором кот одновременно жив и мёртв, пока ящик не откроют. Эрвин Шрёдингер придумал этот парадокс, чтобы показать абсурдность применения квантовых правил к макроскопическим объектам. Но вот парадокс: спустя 90 лет физики целенаправленно тащат макроскопический мир в эту «абсурдную» территорию.
Наночастицы натрия, использованные в эксперименте, конечно, не коты. Но они уже достаточно велики, чтобы находиться где-то в промежуточной зоне между микро- и макромиром. Граница, на которой квантовое поведение сменяется классическим, до сих пор не определена точно, и каждый такой эксперимент немного сдвигает её.
Практический вопрос, который висит в воздухе: а где предел? Можно ли заставить вести себя как волну миллион атомов? Миллиард? Целый видимый объект? Пока ответа нет. Но ещё несколько лет назад тысячи атомов в суперпозиции казались фантастикой, а теперь это экспериментальный факт.
Результаты этой работы имеют прямое отношение к фундаментальным вопросам физики. Существуют теории, предполагающие, что гравитация разрушает суперпозицию на определённых масштабах. Если удастся проверить это экспериментально, наращивая размер квантовых объектов, мы получим первые подсказки о том, как связать квантовую механику с общей теорией относительности. Пока что эти две опоры современной физики живут порознь, и попытки их объединить упираются в отсутствие экспериментальных данных именно на промежуточных масштабах.
Квантовый мир и привычная реальность оказались ближе друг к другу, чем когда-либо прежде. Тысячи атомов натрия, послушно принявшие волновую форму, — не просто красивый лабораторный трюк. Это сигнал о том, что граница между «квантовым» и «обычным» не высечена в камне и, возможно, вообще не существует в том виде, в каком мы её себе представляли.
Изображение носит иллюстративный характер
Физикам удалось перевести в состояние квантовой суперпозиции тысячи атомов одновременно. Не десяток, не сотню — тысячи. Это число может показаться незначительным на фоне, скажем, числа Авогадро, но для квантовой физики оно огромно. До сих пор удерживать суперпозицию на таких масштабах считалось если не невозможным, то крайне трудноосуществимым.
Материалом для эксперимента послужили наночастицы натрия. Исследователи заставили эти частицы вести себя как волна, а не как твёрдые объекты. Это самое сердце квантовой механики: корпускулярно-волновой дуализм. На уровне отдельных фотонов мы к этому давно привыкли. На уровне тысяч атомов, собранных в наночастицу, — это совсем другая история.
Суперпозиция — штука хрупкая. Любое взаимодействие с окружающей средой разрушает её, и объект «схлопывается» в одно определённое состояние. Чем больше частиц вовлечено, тем больше потенциальных взаимодействий, тем быстрее всё рушится. Поэтому масштабирование квантовых эффектов вверх — это количественный рост и качественный скачок в сложности.
Само название «состояние кота Шрёдингера» отсылает к знаменитому мысленному эксперименту 1935 года, в котором кот одновременно жив и мёртв, пока ящик не откроют. Эрвин Шрёдингер придумал этот парадокс, чтобы показать абсурдность применения квантовых правил к макроскопическим объектам. Но вот парадокс: спустя 90 лет физики целенаправленно тащат макроскопический мир в эту «абсурдную» территорию.
Наночастицы натрия, использованные в эксперименте, конечно, не коты. Но они уже достаточно велики, чтобы находиться где-то в промежуточной зоне между микро- и макромиром. Граница, на которой квантовое поведение сменяется классическим, до сих пор не определена точно, и каждый такой эксперимент немного сдвигает её.
Практический вопрос, который висит в воздухе: а где предел? Можно ли заставить вести себя как волну миллион атомов? Миллиард? Целый видимый объект? Пока ответа нет. Но ещё несколько лет назад тысячи атомов в суперпозиции казались фантастикой, а теперь это экспериментальный факт.
Результаты этой работы имеют прямое отношение к фундаментальным вопросам физики. Существуют теории, предполагающие, что гравитация разрушает суперпозицию на определённых масштабах. Если удастся проверить это экспериментально, наращивая размер квантовых объектов, мы получим первые подсказки о том, как связать квантовую механику с общей теорией относительности. Пока что эти две опоры современной физики живут порознь, и попытки их объединить упираются в отсутствие экспериментальных данных именно на промежуточных масштабах.
Квантовый мир и привычная реальность оказались ближе друг к другу, чем когда-либо прежде. Тысячи атомов натрия, послушно принявшие волновую форму, — не просто красивый лабораторный трюк. Это сигнал о том, что граница между «квантовым» и «обычным» не высечена в камне и, возможно, вообще не существует в том виде, в каком мы её себе представляли.
