Учёные много десятилетий пытаются нащупать границу между квантовым миром с его странными законами и обычной для человеческого восприятия реальностью. Благодаря новому исследованию существующий рубеж был значительно отодвинут.
Физики наблюдали квантовую интерференцию молекул рекордной массы, состоящих из почти 2000 атомов. Кроме того, они проверили некоторые теории о том, как квантовый объект превращается в классический в момент измерения (ниже мы объясним, что означают все эти слова).
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Physics группой во главе с Яковом Фейном (Yaakov Fein) из Венского университета.
Безумный квантовый мир
Квантовая механика – одна из самых тщательно проверенных физических теорий. На её принципах основаны технологии, которыми мы пользуемся ежедневно: электроника, лазеры и так далее. Так что каждый из нас может засвидетельствовать, что квантовые законы работают, просто включив компьютер или смартфон.
Однако эти законы настолько отличаются от закономерностей привычного нам мира, что каждое новое поколение студентов физических факультетов при знакомстве с ними испытывает своего рода культурный шок.
Например, про квантовый объект (скажем, частицу) нельзя сказать, что он находится в определённой точке пространства. Существует лишь вероятность в процессе измерения обнаружить частицу в той или иной точке, и она нигде в точности не будет равна нулю. То есть до эксперимента объект как бы был размазан по пространству, находясь сразу во всех возможных местах.
Подобная же неопределённость характерна не только для координат квантового объекта, но и для всех остальных физических величин, которые свойственны тому или иному объекту.
Эти параметры, "размазанные и неопределённые" до измерения, в процессе измерения демонстрируют, однако, конкретные значения. Энергия частицы оказывается равна, скажем, 10 электронвольтам, её координаты – 5, 6 и 7 фемтометров, и так далее.
Кроме того, формулы помогают физикам очень точно рассчитать, какое значение и с какой вероятностью примет при измерении та или иная величина. В этом и состоит прогностическая сила квантовой механики, позволяющая создавать лазеры и смартфоны.
Проклятые вопросы
Однако здесь возникает два вопроса. Первый: что же всё-таки происходит с квантовым объектом в момент измерения? Как и почему неопределённое значение физической величины превращается в определённое? На этот вопрос пока нет общепринятого ответа. В его поисках физики придумывают всё более изощрённые эксперименты и ведут теоретические дискуссии, временами переходящие в философские дебаты.
Второй вопрос связан с тем, что окружающие нас в быту предметы, скажем, чашка или письменный стол, не проявляют всех этих странных квантовых свойств (в связи с чем последние и кажутся нам странными).
Общепринято мнение, что квантовые свойства постепенно сходят на нет по мере того, как в систему включается всё больше частиц. Но, как вопрошали ещё древние греки, сколько камней нужно сложить, чтобы получилась куча? Экспериментально продемонстрированы квантовые свойства отдельных частиц, атомов, небольших молекул. Проявятся ли они, скажем, у молекул полиэтилена, содержащих десятки тысяч атомов? Возможно ли провести эксперимент, который продемонстрирует исчезающе малые проявления квантовой природы у чашки утреннего кофе?
Новое исследование имеет отношение сразу к обоим упомянутым вопросам. Оно демонстрирует ключевое квантовое явление – суперпозицию состояний – для рекордно больших молекул. Одновременно оно позволяет проверить некоторые теории, призванные решить проблему измерения.
Ближе к повседневному миру, чем когда-либо прежде
Поясним, что состояние квантового объекта, будь то частица, атом, молекула или что-либо другое, описывается так называемой волновой функцией. У неё много общего с волной на воде или звуковой волной в воздухе. В частности, волновые функции способны к интерференции (наложению друг на друга).
При интерференции двух волновых функций система находится как бы в смеси состояний, описываемых этими функциями. Это тот самый знаменитый парадокс с котом Шрёдингера, который до открытия коробки находится в смеси состояний "жив" и "мёртв".
Явление интерференции состояний – одно из ключевых отличий квантового мира от обыденного. Великий физик Ричард Фейнман называл его сердцем квантовой механики.
Авторы нового исследования продемонстрировали квантовую интерференцию для молекул C707H260F908N16S53Zn4. Каждая такая молекула, как видно из формулы, состоит из 1948 атомов. Их суммарная масса превышает 25 тысяч атомных единиц массы, что в несколько раз превосходит предыдущий рекорд. В своей научной статье авторы называют эти молекулы, безусловно, самыми массивными объектами, когда-либо демонстрировавшими интерференцию. Исследователям пришлось применить специальные методы для синтеза таких сложных молекул, достаточно прочных, чтобы из них можно было сформировать стабильный пучок в сверхвысоком вакууме.
Насколько такая молекула близка к макромиру, в котором квантовые свойства не наблюдаются? Есть несколько шкал, позволяющих это измерить
Например, любая система имеет так называемую длину волны де Бройля. Когда она сравнима с размером самой системы, для последней существенны квантовые свойства.
Например, длина волны де Бройля электрона в атоме водорода примерно равна диаметру самого атома, поэтому атом – безусловно квантовый объект.
Длина волны де Бройля упомянутой молекулы составляет 53 фемтометра. Это примерно в десять тысяч раз меньше размера самой молекулы. В этом смысле такая молекула в десять тысяч раз ближе к макроскопическому телу, чем атом водорода. Впрочем, ей ещё очень далеко до десятиграммовой пули, летящей со скоростью одного километра в секунду. Ведь при её вполне наблюдаемом размере (особенно для того несчастного, в которого она попадёт) длина волны де Бройля такой пули составляет порядка 10-35 метра.
Можно привести и другие цифры. Несколько лет назад была предложена обобщённая характеристика того, насколько эксперимент по квантовой суперпозиции приблизился к макроскопическим явлениям. Она так и называется макроскопичностью. Макроскопичность опытов группы Фейна составила 14,1, что примерно в десять раз больше предыдущего рекорда.
Таким образом, физики установили на дистанции от микроскопического мира к макроскопическому новый рубеж, на котором квантовые свойства всё ещё наблюдаются.
"Наши эксперименты показывают, что квантовая механика при всех её странностях удивительно хорошо проходит тесты, и я надеюсь, что будущие эксперименты проверят её в масштабе ещё больших масс", – говорит Фейн.
Проблема измерения
Новое достижение важно и в свете другого упомянутого вопроса: что всё-таки происходит с системой в момент измерения? Некоторые теории описывают это превращение неопределённого значения физической величины в определённое как так называемый коллапс волновой функции. При этом объект, подчиняющийся квантовым законам, превращается в классический с его обыденными свойствами.
Модель коллапса волновой функции предполагает, что такая участь в конце концов постигает любое тело. При этом время существования объекта в квантовом состоянии обратно пропорционально квадрату его массы. Поэтому свободный электрон с его ничтожно малой массой 10-27 грамма остаётся квантовым объектом всё время существования Вселенной, если, конечно, его никто не трогает.
В момент измерения частица вступает во взаимодействие с прибором, имеющим макроскопическую массу, и по существу объединяется с ним в единую систему. Поэтому волновая функция мгновенно коллапсирует, и величины, характеризующие электрон, приобретают определённые значения.
И так уж получилось, что разные варианты этой изящной теории предполагают разную скорость коллапса волновой функции. Как минимум самые "торопливые" из них теперь можно отбросить. Ведь, согласно измерениям Фейна и коллег, молекулы находились в состоянии интерференции более семи миллисекунд.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали том, как физики отправили квантовое послание отдельно от "почтового голубя" и "сфотографировали" квантовую запутанность.
