Ученые масштабировали квантовую механику
Группе ученых удалось погрузить достаточно большой объект (видимый невооруженным глазом) в смешанное квантовое состояние движения и покоя.
Эндрю Клиланд [Andrew Cleland, Университет Калифорнии] и его команда охлаждали крошечную металлическую лопатку до достижения ею основного [в квантово-механическом смысле] состояния — состояния с минимальной энергией. Затем они использовали непривычные правила квантовой механики, чтобы одновременно заставить ее двигаться и быть неподвижной. Эксперимент показал, что принципы квантовой механики могут быть применены к повседневным объектам в той же мере, как и к частицам атомного масштаба.
Это исследование было одновременно (17-го марта) опубликовано онлайн в журнале Nature и представлено на встрече Американского Физического Общества в Портленде.
В соответствии с квантовой теорией, в очень небольших масштабах частицы ведут себя в большей степени как волны, нежели чем частицы. Это имеет множество непривычных последствий: невозможно определить точно положение и скорость частицы в пространстве, частица может делать две противоположные вещи одновременно. Благодаря явлению «суперпозиции» частица может быть неподвижной и двигаться в одно и тоже время — по крайней мере, пока внешние силы не действуют на нее. Тогда она мгновенно выбирает одно из двух противоположных состояний.
До сих пор никто не наблюдал свидетельства действия правил квантовой механики в больших масштабах, при которых внешним влияниям проще разрушить хрупкие квантовые состояния. «На сегодняшний день никто не показал, что к движению больших объектов, состоящих из триллионов атомов, применима квантовая механика», - заявил Клиланд.
Нет объективных причин, по которым правила квантовой механики не должны относится к большим объектам. Эрвин Шредингер, один из отцов квантовой механики, был так взволнован возможностью "квантовых причуд" на больших масштабах, что предложил свой знаменитый мысленный эксперимент с котом [Шредингера]. Кот помешается в коробку с пузырьком цианида и радиоактивным источником. Радиоактивный распад приводит в действие устройство, разбивающее пузырек, что ведет к гибели кота. Пока ящик закрыт, кот находится в суперпозиции двух состояний [жив и мертв] — абсурдность этого положения волновала Шредингера.
Чудесная странность
Клиланд и его команда провели более прямое измерение «квантовой странности» большого масштаба. Они начали с крошечных механических лопаток [«квантовых брусков»] длиной около 30 микрометров, которые колеблются при движении в определенном диапазоне частот. Далее они соединили лопатку со сверхпроводящей электрической цепью, которая подчиняется законам квантовой механики и охладили систему до температуры ниже 0,1 K.
При этой температуре лопатка соскальзывает в основное квантово-механическое состояние. Используя квантовую цепь, Клиланд и его команда подтвердили, что лопатка абсолютно не обладает колебательной энергией. Затем они использовали цепь, чтобы толкнуть лопатку, и увидели ее колебания в очень специфических значениях энергии.
Далее исследователи поместили квантовую цепь в суперпозицию состояний — «толчок» и «отсутствие толчка» и соединили ее с лопаткой. Серия точных измерений показала, что лопатка одновременно вибрирует и не вибрирует.
«Это прекрасно», - говорит Хайлин Уонг [Hailin Wang, Университет Орегона], который работал над подобным [соперничающим] экспериментом по погружению осциллятора в основное состояние. Работа подтверждает ожидания, что законы квантовой механики справедливы на больших масштабах. «Это, безусловно, хорошо для физики», - добавил Уонг.
Если мы можем ввести в основное состояние триллионы атомов, то почему мы не наблюдаем двухэтажных автобусов, которые бы одновременно стояли и ехали? Клиланд полагает, что имеет значение размер, чем крупнее объект, тем легче внешним силам нарушить его квантовое состояние.
«Окружающая среда это огромная, сложная вещь», - говорит Клиланд. «Взаимодействие с этой невероятно сложной системой разрушает квантовую когерентность.»
Тем не менее, по его словам, есть много причин, чтобы продолжать попытки получения больших объектов в квантовом состоянии. «Большие квантовые состояние» могут рассказать исследователям новое о взаимосвязи между квантовой механикой и гравитацией.
