Ученые обманули природу: найден способ измерить невозможное в квантовом мире

Физические явления, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, такие как затухание колебаний гитарной струны после удара медиатором или постепенная остановка качелей на детской площадке, хорошо объясняются законами Ньютона.

Ученые называют такие системы "затухающими гармоническими осцилляторами". Однако в микромире атомов действуют совсем другие правила, подчиненные законам квантовой физики, которые кажутся странными и необычными.

Профессор Университета Вермонта Деннис Клаферти и его студент Нам Динь решили выяснить, существуют ли в атомном мире аналоги таких систем, которые ведут себя подобно колебаниям гитарной струны в макромире. Они задались вопросом, возможно ли разработать квантовую теорию, описывающую поведение таких систем.

Результаты их работы, опубликованные 7 июля 2025 года в журнале Physical Review Research, показали, что это возможно. Исследователи смогли создать точную модель, которая описывает движение, аналогичное колебаниям гитарной струны, но на уровне атомов. Они назвали эту модель "затухающим квантовым гармоническим осциллятором".

На протяжении почти 90 лет ученые пытались описать подобные системы с помощью квантовой физики, но сталкивались с трудностями. Клаферти отметил, что основная сложность заключалась в соблюдении принципа неопределенности Гейзенберга — одного из ключевых положений квантовой механики. Этот принцип утверждает, что невозможно одновременно с высокой точностью определить положение и импульс частицы. Чем точнее измеряется одно свойство, тем менее точным становится знание о другом.

Исследователи изучили модель, впервые предложенную британским физиком Хорасом Лэмбом в 1900 году, задолго до появления квантовой физики. Лэмб изучал, как частица, вибрирующая в твердом теле, теряет энергию, передавая ее окружающей среде. Используя законы Ньютона, он показал, что упругие волны, возникающие из-за движения частицы, воздействуют на нее, заставляя колебания затухать, то есть уменьшаться по амплитуде.

Динь пояснил, что в классической физике потеря энергии при колебаниях объясняется такими факторами, как трение или сопротивление воздуха, но в квантовом мире эти процессы не столь очевидны.

Клаферти и Динь, который в 2024 году получил степень бакалавра по физике, в 2025 году — магистра, а сейчас работает над докторской диссертацией по математике в Университете Вермонта, переосмыслили модель Лэмба, адаптировав ее к квантовым условиям.

Для сохранения принципа неопределенности Гейзенберга исследователям пришлось детально проанализировать взаимодействие одного атома со всеми остальными атомами в твердом теле. Клаферти назвал это задачей "многих тел", которая требует сложных математических подходов.

Решение было найдено с использованием многомодового преобразования Боголюбова, которое позволило упростить описание системы и определить ее свойства. Исследователи описали состояние, известное как "многомодовый сжатый вакуум", что дало возможность точно смоделировать поведение атома.

Эта работа имеет важное практическое значение. Точное определение положения атома может привести к созданию сверхчувствительных технологий, таких как новые методы измерения квантовых расстояний.

Клаферти отметил, что их исследование позволяет предсказать, как изменяется неопределенность в положении атома при взаимодействии с другими частицами в твердом теле. По его словам, уменьшение этой неопределенности может обеспечить измерения с точностью, превышающей стандартные квантовые пределы.

В квантовой физике существуют фундаментальные ограничения, такие как принцип неопределенности Гейзенберга, но с помощью определенных методов можно уменьшить неопределенность в одной характеристике, например, положении, за счет увеличения неопределенности в другой, например, импульсе. Исследователи использовали состояние "сжатого вакуума", которое снижает квантовый шум в одной переменной, увеличивая его в другой.

Подобные подходы уже применялись в создании детекторов гравитационных волн, которые способны измерять изменения расстояний, в тысячи раз меньшие, чем ядро атома. За это достижение в 2017 году была вручена Нобелевская премия. Новое исследование открывает перспективы для создания еще более точных технологий, хотя пока трудно предсказать, какие именно открытия оно принесет в будущем.

Уточнения

Вермо́нт — один из штатов на северо-востоке США.