Експеримент учених показав неможливу подію в класичній фізиці: квантова теорія права

Для опису природи Всесвіту в найкрихітніших масштабах учені використовують квантову теорію. Класична фізика на рівні найдрібніших частинок нездатна пояснити різні явища. Саме квантова теорія описує всілякі явища, від квантової заплутаності до суперпозиції. Проте, незважаючи на багато експериментів, що показують, наскільки корисна квантова теорія для пояснення нашої реальності, важко похитнути "класичний" погляд на будівельні блоки Всесвіту, як на надійну основу для тканини простору-часу. Протягом десятиліть багато фізиків задавалися питанням, чи можна якимось чином фізику, яку використовують для опису макроскопічних явищ, використовувати і для пояснення всієї квантової фізики. Тепер нове дослідження, опубліковане в журналі Physical Review Letters, показало, що ні, пише ScienceAlert.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Як показав новий експеримент, нейтрони, випущені в пучку в нейтронному інтерферометрі, можуть існувати у двох місцях одночасно, що неможливо в класичній фізиці.

Квантовий кіт

Експеримент був заснований на математичній нерівності Леггетта-Гарга, яка стверджує, що система завжди перебуває в одному або іншому з доступних їй станів. Тобто кіт Шредінгера або живий, або мертвий, і можна визначити, в якому з цих станів він перебуває, без впливу вимірювань на результат.

Макросистеми, які добре можна зрозуміти за допомогою тільки класичної фізики, підкоряються нерівності Леггетта-Гарга. Але системи у квантовій фізиці порушують це правило. Кіт Шредінгера одночасно живий і мертвий і це аналог квантової суперпозиції.

За словами фізиків, нерівність Леггетта-Гарга стосується тільки одного окремого об'єкта і ставить запитання: як його стан у певні моменти часу пов'язаний зі станом того самого об'єкта в інші конкретні моменти часу? У нейтронному інтерферометрі можна стріляти пучком нейтронів по мішені. Коли пучок проходить через пристрій, він розділяється на дві частини, причому кожен окремий пучок рухається різними шляхами, поки пізніше вони не возз'єднаються.

Нерівність Леггетта-Гарга стверджує, що вимірювання простої двійкової системи може дати два результати. Якщо провести вимірювання ще раз у майбутньому, то ці результати співвідноситимуться один з одним, але тільки до певного моменту. Для квантових систем нерівність Леггетта-Гарга не можна застосувати, адже допускається кореляція, вища за цей поріг.

За словами фізиків, якщо потрібно перевірити макроскопічну реальність, то потрібен об'єкт, який є макроскопічним у певному розумінні, тобто має розмір, який можна порівняти з розміром звичайних повсякденних предметів. Щоб досягти цього, простір між двома частинами нейтронного пучка в інтерферометрі перебуває більше в макромасштабі, аніж квантовому.

Неможливе можливо

Квантова теорія стверджує, що кожен нейтрон рухається обома шляхами одночасно. Але два розділених пучки перебувають на відстані кількох сантиметрів один від одного. У якомусь сенсі це квантовий об'єкт, який величезний за квантовими стандартами, кажуть учені.

Використовуючи кілька різних методів вимірювання, фізики вивчили нейтронні пучки в різний час. І вимірювання були занадто тісно співвідносилися один з одним, щоб могли діяти класичні правила макрореальності. Нейтрони, як показали вимірювання, насправді рухалися одночасно двома різними шляхами, розділеними відстанню в кілька сантиметрів.

Цей експеримент показує, що справді потрібна квантова теорія, щоб описати Всесвіт, у якому ми живемо. За словами фізиків, експеримент показав, що Всесвіт дійсно настільки дивний, як і показує квантова теорія. Учені стверджують, що жодна теорія класичної фізики ніколи не зможе пояснити реальність. Вона не працює без квантової фізики.

Як уже писав Фокус, вперше вчені виявили в космосі дивний висячий лід. Наявність незвичайної форми льоду в молекулярній хмарі Хамелеон I може поліпшити розуміння формування зоряних систем і планет.

Як показало ще одне дослідження фізиків, незважаючи на допущення загальної теорії відносності, не можна створити чорну діру, використовуючи тільки енергію світла. Це дослідження показує, як можна об'єднати теорію Ейнштейна і квантову механіку, щоб вирішити складні питання фізики, як уже писав Фокус.