Физики добавили в наш мир определенности

Канадские ученые провели эксперимент, который поставил под сомнение справедливость одного из основополагающих законов квантовой механики. Речь идет о принципе неопределенности Гейзенберга, согласно которому, у одной частицы невозможно одновременно точно измерить два параметра ее движения. Но с помощью метода "слабых" измерений физикам это удалось.

Фото:

Про знаменитый принцип неопределенности существует одна весьма остроумная шутка. Представьте себе ситуацию: специалиста по квантовой физике останавливает на шоссе полицейский и спрашивает: "Вы знаете, как быстро вы ехали, сэр?" На что физик отвечает: "Нет, но я точно знаю, где я!" Многие утверждают, что этот анекдот и есть самая лучшая формулировка гейзенберговского умозаключения.

Однако если перейти от шуток к текущей реальности, то следует вспомнить, что этот самый принцип, сформулированный немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году, до сих пор является одним из краеугольных камней квантовой механики. Коротко его можно изложить так: любая попытка измерения положения частицы меняет ее импульс, следовательно, оба этих параметра не могут быть измерены одновременно с неограниченной точностью. Впрочем, Гейзенберг считал его справедливым для любой попытки одновременного описания пары свойств квантовых объектов.

При этом следует заметить, что этот принцип был открыт вовсе не от хорошей жизни. Когда ученые погрузились в изучение механики движения элементарных частиц в атомах, они постоянно ловили себя на том, что им не удается сразу определить и угловую скорость (импульс), и местоположение электрона. Более того, эта задача оказалась нерешаемой и даже теоретически, если действовать с позиций классической физики.

И вот молодой теоретик Вернер Гейзенберг, исследуя эту проблему, пришел к парадоксальному умозаключению: подобное не получается потому, что сам акт измерения может влиять на исследуемое свойство частицы. Приведем простой пример. Допустим, ученому нужно зафиксировать пространственное местонахождение электрона. Для этого он выпускает в атом квант света (то есть фотон), который натыкается на электрон, и это событие тут же фиксируется детектором (поскольку при этом будет вспышка света). Местоположение объекта, таким образом, оказывается определенным, а вот об импульсе электрона в рамках данного эксперимента уже сказать ничего нельзя, поскольку фотон, столкнувшись с электроном, изменил его значение.

Рассуждая подобным образом, Гейзенберг даже вывел формулу, которая давала общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира. И она полностью подтвердила его предположение. В результате исследованиями коллеги заинтересовался сам Нильс Бор, который в том же году сформулировал так называемую Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, говорившую о том, что принцип неопределенности является непреложным законом мироздания на микроуровне.

Из нее следовало, что физическая Вселенная существует не в детерминистичной (то есть полностью определенной) форме, а скорее как набор вероятностей, или возможностей. Сторонники Копенгагенской интерпретации часто приводят такой пример: параметры изменения светового пучка, произведенного миллионами фотонов, дифрагирующими через щель, может быть вычислена при помощи квантовой механики, но точный путь каждого фотона не может быть предсказан никаким известным методом (а Бор настаивал еще и на том, что это вообще принципиально невозможно).

Именно таким образом физики превратили ясную и четкую физическую картину мира (каким его видел, например, Ньютон) в расплывчатый набор вероятностных состояний и одновременно определили предел познания человеком законов мироздания. Не удивительно, что многие ученые сразу же восстали против этого. Например, Альберт Эйнштейн, который сразу же подверг сомнению справедливость такой интерпретации, выразился по поводу нее весьма категорично:"Богнеиграетвкости".Великийученыйполагал,чтоневозможностьвычислениядвухпараметроводнойчастицыпроисходитиз-затого,чтовсевремяилинеправильноставитсяэксперимент,илинеучитываютсякакие-то неизвестные пока переменные.

Впрочем, Нильс Бор (который дал коллеге достойный ответ: "Дорогой Альберт, не надо указывать Богу, что ему следует делать") убедительно доказал, что дело тут не в постановке эксперимента и не в неполноте расчетов, а в том, что открытый Гейзенбергом принцип действительно является фундаментальным законом Вселенной. И хотя эта дискуссия продолжается последователями великих ученых до сих пор (точку зрения Бора развивает Роджер Пенроуз, а Эйнштейна — Стивен Хокинг), все-таки большинство теоретиков приняли Копенгагенскую интерпретацию как рабочую гипотезу. Они согласились считать ее верной до тех пор, пока не будет доказана возможность нарушения принципа неопределенности.

И вот, похоже, это все-таки случилось. Группа физиков из Торонто, которыми руководит профессор Ли Розема, продемонстрировала способ, с помощью которого можно непосредственно измерить оба состояния частицы с достаточно большой степенью точности. Исследователи применили метод, который был разработан еще в прошлом веке, однако эффективно был применен лишь в прошлом году, — так называемые "слабые измерения".

Суть этой методики состоит в том, что она позволяет собрать информацию о наблюдаемой величине, не оказывая существенного влияния на эволюцию квантовой системы. В реальности это выгляди так: при охлаждении жидким гелием ученым удается получить отдельные кванты света, которые после направляются в оптоволокно с внутренним светоделителем. Выходы из него соединяются с отдельными отрезками оптоволокна. За волоконными световодами устанавливался "экран" — ПЗС-камера.

Ключевым участником этого эксперимента является тонкий двоякопреломляющий кристалл кальцита CaCO3. Фотоны, выходящие из оптоволокон, налетали на этот кристалл под углом, зависящим от их поперечного импульса, а кальцит слегка изменял их поляризацию, причем это изменение также зависело от импульса. Таким образом впервые была продемонстрирована возможность достаточно точно измерить два параметра элементарной частицы одновременно (поскольку амплитуда вращения плоскости поляризации оставалась небольшой).

Так вот, группа Роземы еще более модифицировала данный метод. "Мы разработали аппарат для измерения свойства фотона — в частности, его поляризации. Затем мы определили, насколько сам фотон повлиял на аппарат. Чтобы сделать это, нам надо было измерить фотон до взаимодействия с измерительным прибором, но само это измерение также нарушало состояние фотона", — так пояснил суть модификации сам профессор Розема.

Читайте также: Три фотона разровняли Вселенную

Но как же это выглядело в реальности? На самом деле, достаточно просто. Еще до того, как каждый фотон был направлен в классическое измерительное устройство (дифракционную щель), исследователи измеряли его при помощи вышеописанной техники "слабого измерения", а после измеряли повторно, сравнивая полученные результаты. В итоге оказалось, что возмущение, внесенное самим измерительным прибором, было весьма и весьма мало и им запросто можно было пренебречь.

"Каждый фотонный выстрел давал нам совсем немного информации о возмущении, но многократно повторяя эксперимент, мы смогли получить очень точное представление о том, насколько менялось квантовое состояние фотонов", — прокомментировал результаты опытов Ли Розема. При этом он подчеркнул, что хоть в данной работе и была продемонстрирована возможность точного измерения двух параметров частицы, однако для того чтобы полностью отказаться от принципа неопределенности и Копенгагенской интерпретации, нужно проделать еще много подобных исследований.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"