В 2017 году исследователи из Кембриджского университета, кажется, добились невозможного — они открыли способ наблюдать квантовые частицы, не наблюдая при этом за ними напрямую! Одна из фундаментальных идей квантовой теории гласит, что квантовые объекты способны существовать в двух состояниях одновременно: и волны и частицы. При этом ни одна частица не может существовать без другой пока обе не будут измерены наблюдателем. Работа британских исследователей представляет квантовые частицы в совершенно новом свете, потенциально помогая другим ученым понять их движение и поведение. Интересно, что открытие служит предпосылкой для знаменитого мысленного эксперимента Эрвина Шредингера: если поместить в коробку колбу с радиоактивным веществом и специальным механизмом, ее открывающим, а следом взять кошку и закрыть ее в этой коробке, кошка окажется в суперпозиции – совокупности всех состояний, в которых может одновременно находиться кошка. В некотором смысле исследователи смогли изучить «запретную область» квантовой механики, отслеживая движения квантовых частиц, не наблюдая за ними напрямую.

Исследователи нашли Способ отслеживать квантовые частицы, не наблюдая за ними

Квантовая механика – фундаментальная физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (молекул, атомов, атомных ядер, частиц)

Кто в суперпозиции?

Сегодня мы знаем о существовании целого зоопарка элементарных частиц, которые удалось классифицировать в Стандартную модель – невидимые глазу частицы являются фундаментальными кирпичиками Вселенной. Атомы, из которых мы состоим, зародились в результате вспышек сверхновых звезд где-то на космических просторах. Мы едва поспеваем за каждым новым открытием в области квантовой механики – все происходит стремительно.

Но вернемся к коту в суперпозиции – волновой функции если по-научному. Целью мысленного эксперимента Шредингера был ответ на вопрос о том, когда квантовая суперпозиция и реальность становятся вероятностью.

Кошка одновременно жива и мертва

Вот что говорят по этому поводу авторы работы, опубликованной в журнале в Physical Review: Каждый раз, когда частица взаимодействует с окружающей ее средой, она оставляет своего рода «метку», благодаря которой информация кодируется в частицах.

По сути, исследователи сформировали теорию, которая позволяет им сопоставлять эти «метки» без необходимости непосредственного наблюдения за частицами – их движение можно отследить не измеряя их, а наблюдая за воздействием частиц на окружающую среду.

Как увидеть то, чего нет?

Как отмечают авторы исследования, метки, которые генерируют частицы, взаимодействуют с окружающей средой – но лишь тогда, когда никто за ними не наблюдает – прямо как в знаменитом эксперименте с кошкой. Так что физики взяли на себя создание способа отслеживания секретных движений квантовых частиц.

Если говорить совсем просто, то когда частицы движутся, они «помечают» свое окружение. Каждая такая метка или взаимодействие с окружающей средой кодирует информацию внутри частиц, – объясняет Дэвид Арвидссон-Шукур, один из авторов исследования и аспирант Кавендишской лаборатории Кембриджа.

Фундаментальные «истины» квантовой физики можно проверить с помощью уже имеющихся данных и новой информации. Так что ждем новых и невероятных новых захватывающих открытий.

Следуя «меткам» исследователи обнаружили, что могут декодировать информацию от частиц в конце эксперимента – то есть когда за частицами наблюдают. Это позволяет следить за движением частиц и узнать гораздо больше информации об их странном поведении. Новый метод позволяет отслеживать отображения «отмеченных» взаимодействий без непосредственного наблюдения за ними.

Ну а теперь самое интересное – этот способ отслеживания ненаблюдаемых квантовых частиц позволит ученым проверить извечные предсказания квантовой механики. В недалеком прошлом волновая функция считались абстрактными вычислительным инструментом, используемыми только для прогнозирования результатов квантовых экспериментов.

Волновая функция – величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (например, электрона, протона, атома, молекулы)

Но исследование показало, что информация, закодированная в каждой квантовой частице после каждого взаимодействия, напрямую связана с волновой функцией, которая, в свою очередь, тесно связана с фактическим состоянием частиц. Вот так ученым удалось исследовать «запретную область» квантовой механики: определить путь квантовых частиц, когда за ними никто не наблюдает.

Что же до ближайшего будущего, то нас однозначно ожидает череда удивительных открытий в области квантовой механики. Недавно мы рассказывали о путешествии во времени в квантовом мире – оказалось, что на квантовом уровне время может идти как вперед, так и назад. Вот такая физика, сложная но изумительная.