Главная / Атомы, не имеющие свойств в отсутствии наблюдателя
25.04.2016 |
|
 Микроскопический мир управляется правилам квантовой механики. В квантовой механике свойства частицы будут полностью неопределенными и, тем не менее, сильно коррелируют с другими частицами. Физики из Базельского университета, старейшего университета Швейцарии, впервые обнаружили так называемые корреляции Белла, происходящие между сотнями атомов. Полную статью о находках ученых можно прочитать в журнале Science.
Повседневные объекты способны обладать свойствами независимо друг от друга, неважно, наблюдаем ли мы за этими объектами, или нет. Когда Эйнштейн задал свой знаменитый вопрос – останется ли на небе луна, если на нее никто не будет смотреть, человечество единодушно ответило «да». Однако, это неверно в мире маленьких частиц. Положение в пространстве, скорость, или магнитный момент одного атома могут быть полностью неопределенными, однако, при этом сильно зависимыми от этих величин отдаленных атомов.
Если предположить, что атомы обладают некими свойствами независимо друг от друга (что неверно), можно вывести так называемое неравенство Белла. Если оно нарушается результатами эксперимента, из теоремы Белла следует, что свойства атомов должны быть взаимозависимыми. Это называется корреляцией Белла – взаимоотношением между атомами – которая подразумевает также, что каждый атом принимает на себя определенные свойства только в момент измерения. Перед измерениями эти свойства не просто неизвестны – они не существуют.
Команда исследователей из Базельского университета, возглавляет которую Николя Сангуар и Филипп Трейтлен, проследили за этими корреляциями Белла впервые внутри относительно крупной системы, а именно, среди 480 атомов, находящихся в конденсате Бозе-Эйнштейна – агрегатном состоянии вещества, основу которого составляют бозоны, охлажденные до близких к абсолютному нулю температур. Эксперименты, проходившие ранее, показали, что белловские корреляции существуют в системах, максимальное количество частиц в которых – четыре фотона, или 14 атомов. Результаты швейцарских ученых доказали, что квантовые взаимоотношения могут играть роль и в более крупных системах.
Для того, чтобы увидеть белловские корреляции в системе, состоящей из такого количества частиц, для начала исследователям пришлось создать новый метод, благодаря которому отпадает необходимость делать измерения каждой частицы индивидуально. В ином случае пришлось бы контролировать частицы способом, который, на данный момент, неподвластен современной науке. Группе ученых удалось задуманное при помощи недавно открытому неравенству Белла. Швейцарские исследователи протестировали свой метод в лаборатории с небольшими облаками холодных атомов. Частицы были охлаждены лазерным светом до температуры всего в миллиардную часть градуса выше абсолютного нуля. Атомы в облаке постоянно сталкивались, поэтому, магнитные моменты частиц постепенно запутывались. Когда эта запутанность достигала определенной величины, ученые получали возможность идентифицировать корреляции Белла. Один из ведущих авторов исследования, Роман Шмайд, объясняет: «Кажется, что случайные столкновения просто приведут к беспорядку. Однако, вместо этого, квантово-механические свойство становятся запутанными настолько сильно, что они возражают всем законам классической физики».
А именно, каждый атом вначале входит в квантовую суперпозицию, состоящую из двух состояний. После того, как атомы запутываются благодаря столкновениям, исследователи получают возможность сосчитать, как много атомов находится в каждом из двух состояний. В ходе нескольких опытов цифры были разными – атомы распределялись по состояниям по-разному. Если эти вариации были ниже определенной величины, проявлялись белловские корреляции.
Настоящему исследованию оказали финансовую поддержку Национальные центры компетенции в области научных исследований Швейцарского национального научного фонда. Подобные работы могут открыть новые возможности в сфере квантовой технологии, например, могут пригодиться для генерации случайных чисел и безопасной передачи данных.
«Корреляции Белла в системах, состоящих из большого числа частиц – неисследованная область физики. Мы вступаем на новую, еще не нанесенную на карту территорию», говорит Филипп Трейтлен.
|
|
