Могут ли атомы быть в двух местах одновременно?

Можно ли одновременно забить гол и не попасть по воротам? В мире самых маленьких объектов — да: в соответствии с предсказаниями квантовой механики, микроскопические объекты могут выбирать разные пути одновременно. Мир же макроскопических объектов...

Можно ли одновременно забить гол и не попасть по воротам? В мире самых маленьких объектов — да: в соответствии с предсказаниями квантовой механики, микроскопические объекты могут выбирать разные пути одновременно. Мир же макроскопических объектов подчиняется другим правилам: футбольный мяч, например, всегда движется в определенном направлении. Но могут быть и лазейки. Физики из Университета Бонна создали эксперимент, который должен по возможности проверить это. Первый эксперимент покажет, могут ли атомы цезия выбирать два пути одновременно.

Почти 100 лет назад физики Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Эрвин Шредингер создали новую область физики: квантовую механику. Объекты квантового мира — согласно квантовой теории — не двигаются по одной хорошо определенной траектории. Скорее они могут одновременно принимать различные пути и в конечном итоге оказываться в разных местах. Физики называют это квантовой суперпозицией.

На уровне атомов все выглядит так, будто объекты строго подчиняются квантово-механическим законам. На протяжении многих лет многие эксперименты подтвердили предсказания квантовой механики. Но в нашем макроскопическом опыте мы наблюдаем, как футбольный мяч выбирает исключительно один путь. Он никогда не попадет в сетку ворот и отскочит от штанги одновременно. Почему так?

«Есть две разные интерпретации, — говорит доктор Андреа Альберти из Института прикладной физики Университета Бонна. — Квантовая механика допускает суперпозицию крупных макроскопических объектов. Но их состояние суперпозиции очень хрупкое: даже тот факт, что мы наблюдаем за мячом, может разрушить суперпозицию и заставить мяч выбирать конкретную траекторию».

Могут ли большие объекты играть по другим правилам?

Предположим, что перед нами два купола; под одним из них сидит кот (a). Мы не знаем, под каким именно. Мы поднимаем правый купол (b) и обнаруживаем, что он пустой. Таким образом, мы делаем вывод, что кот должен быть под левым куполом, и не трогаем его. Если бы мы подняли левый купол, мы бы побеспокоили кота, а измерение сбилось. В мире макрореалистов эта схема измерения никак не повлияла бы на состояние кота, он оставался бы спокойным все время. В квантовом же мире отрицательное измерение, выявляющее положение кота (b), уничтожает состояние квантовой суперпозиции и влияет на результат эксперимента.

Может быть и так, что футбольные мячи подчиняются совершенно другим правилам, отличным от тех, что применимы к одиночным атомам. «Давайте поговорим о макрореалистичном представлении мира, — говории Альберти. — В соответствии с этой интерпретацией, мяч всегда движется по определенной траектории, независимой от нашего наблюдения, и отличается от атома».

В сотрудничестве с Клайвом Эмари из Университета Халла в Великобритании, команда Бонна придумала экспериментальную схему, которая поможет выявить правильную интерпретацию. «Задача в том, чтобы разработать схему измерения позиций атомов, которая позволит фальсифицировать макрореалистичную теорию», — добавляет Альберти.

Описание эксперимента появилось в журнале Physical Review X: физики захватили единичный атом цезия с помощью двух оптических пинцетов и перенесли его в двух разных направлениях. В мире макрореалиста атом в итоге окажется в одном из двух конечных пунктов. С точки зрения квантовой механики, атом окажется в суперпозиции двух положений.

«Затем мы использовали косвенные измерения, которые могут определить конечное положение атома самым нежным из возможных способов», — говорит аспирант Карстен Робенс. Даже такое косвенное и мягкое измерение значительно меняет результаты эксперимента. Это наблюдение исключает — фальсифицирует, как сказал бы Карл Поппер — возможность того, что атомы цезия подчиняются макрореалистичной теории. Вместо этого экспериментальные выводы команды из Бонна отлично вписываются в интерпретацию на основе состояний суперпозиции, которые разрушаются при проведении косвенных измерений. Все, что нам остается, это признать, что атом действительно может выбирать разные пути одновременно.

«Это еще не доказывает, что квантовая механика работает с крупными объектами, — предупреждает Альберти. — Следующим шагом будет разделение двух позиций атома цезия на несколько миллиметров. Если мы все еще обнаружим суперпозицию в ходе этого эксперимента, макрореалистическая теория серьезно пошатнется».