С 1935 года, сразу же после появления известного мысленного эксперимента Эрвина Шредингера с то ли живым, то ли мертвым котом, физики по всему миру пытались создать различные макросистемы, чтобы проверить, насколько правила квантовой механики распространяются на макромир.
Исследователи из Университета Калгари недавно сделали значительный шаг вперед в этом направлении, создав большую систему, которая находится в двух существенно различных состояниях одновременно. До этого момента ученым удавалось воссоздать квантовые эффекты в значительно меньших масштабах.
Российские и канадские физики впервые на макроуровне проследили за проявлением квантовых эффектов, создав гигантского «кота Шредингера», который представляет собой набор из миллионов запутанных фотонов, связанных с единичной частицей света на квантовом уровне. Профессоры Алекс Львовский и Кристоф Симон из отделения физики и астрономии вместе со своими аспирантами опубликовали результаты своего исследования ученые в журнале Nature Physics.
Сами ученые называют полученные макрообъекты «электромагнитными котами Шредингера» — это связано с знаменитым мысленным экспериментом Эрвина Шредингера, в котором квантовым свойством наделялся обычный кот.
Эксперимент был произведен с помощью оптического канала связи. Титан-сапфировый лазер, давал импульсы света длительностью 1,6 пикосекунды с частотой 76 мегагерц, эти световые импульсы направлялись на несколько последовательно установленных кристаллов. Первый кристалл вдвое увеличивал частоту света, а во втором происходил процесс, который специалисты по оптике называют спонтанным параметрическим рассеянием. При этом один квант входящего излучения дает два кванта с меньшей частотой и, следовательно, энергией. Оба фотона получаются запутанными, то есть их нельзя описывать как две разные частицы даже тогда, когда они разнесены в пространстве, а результаты измерений этих частиц оказываются взаимосвязаны (физики говорят, что они коррелируют).
Чтобы разделить запутанные фотоны, международная группа физиков использовала полупрозрачное зеркало, которое направляло кванты света в разные части установки. Эти части были названы «Алисой» и «Бобом»: так в учебниках по квантовой теории традиционно называют двух разных наблюдателей, А и Б.
Свет, прошедший по каналу А, попадал на детектор сразу, а свет в канале Б сначала проходил через лазер. В лазере фотоны воздействовали на возбужденные атомы и заставляли их излучать такие же кванты света в большем количестве. Свет, попавший в лазер Б, за счет квантового процесса усиливался и сигнал из одного фотона превращался в сигнал из нескольких миллионов. После лазера стоял измеритель, и анализ его показаний вкупе с показаниями детектора А подтвердил, что свет в канале Бо был по-прежнему запутан со светом в канале А.
Важность исследования обусловлена тем, что вместо микроскопических объектов в запутанном состоянии ученым впервые удалось получить мощный световой импульс. Такие импульсы, как отмечают авторы открытия, даже видны невооруженным глазом: предел чувствительности глаза после длительной адаптации к темноте составляет несколько фотонов в секунду. В своем состоянии, «мертвые» и «живые» компоненты "кошки" соответствуют различным квантовым состояниям сотен тысяч фотонов.
В отличие от нашего повседневного опыта, квантовая физика позволяет частицам находиться в двух состояниях одновременно.
Применение этого квантового правила для крупных объектов приводит к парадоксальным, и даже странным последствиям. Чтобы подчеркнуть эту странность, Эрвин Шредингер, один из отцов-основателей квантовой физики, предложил в 1935 году мысленный эксперимент с участием кота, который мог быть убит механизмом, срабатывающим при распаде одного атомного ядра. Если ядро находится в суперпозиции - является распавшимся и не распавшимся одновременно, и если квантовая физика распространяется на крупные объекты, то кот будет одновременно жив и мертв.
В то время как квантовые системы со свойствами "кота Шредингера" были воспроизведены на микроуровне, применение этого принципа к макрообъектам очень трудно продемонстрировать.
"Объяснения, которые этому дают физики, различны. Например, есть такое. Кошка, жива она или мертва, видна экспериментатору, который сразу же становится частью этой суперпозиции. То есть суперпозиция «атом распался/кошка мертва и атом не распался/кошка жива» после того, как на нее посмотрел наблюдатель, становится «атом распался/кошка мертва/экспериментатор видит мертвую кошку и атом не распался/кошка жива/экспериментатор видит живую кошку", говорит Александр Львовский.
А будучи частью суперпозиции, экспериментатор не может знать, что есть и другие части. Поэтому ему кажется, что суперпозиция распалась. К тому же экспериментатор не один: кошку видят все, от нее отражаются триллионы фотонов, они летят в разные стороны, в космос, там их поглощают какие-то атомы – причём разные атомы в зависимости от того, живая кошка или нет. В результате вся Вселенная становится частью этой суперпозиции (это называется многомировой интерпретацией квантовой механики).
Поэтому макроскопические квантовые объекты трудно сделать: чем объект больше, тем в большей степени видно их состояние миру и тем скорее оно на мир распространится, то есть произойдёт распад этой суперпозиции.
Хотя результаты исследования являются многообещающими, соавтор исследования Саймон признает, что многие вопросы остаются без ответа.
Небольшая справка о коте и его мучителе Шредингере.
В оригинальной статье Шрёдингера эксперимент описан так:
"Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной: внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбу с ядом - синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, если распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в данном случае является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения".
Согласно квантовой механике, если над процессом распада ядра не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией двух состояний — распавшегося и нераспавшегося ядра, то есть, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно состояние — «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив».
Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мертвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. |
