Расшифровано явление квантовой неопределенности

Ученые-физики сумели отчасти расшифровать фундаментальный принцип квантовой механики, а именно соотношение неопределенностей Гейзенберга. Для более точного определения и местонахождения, и момента частицы, было произведено "сдавливание" атомов рубидия в количестве 40 тыс. штук. Таким образом, квантовое состояние частиц стало зависимым.

Самые значимые физические теории - теория относительности и теория квантовой механики - имеют запреты. Так, теория относительности запрещает передвижение со скоростью, превышающей скорость света. Теория же квантовой механики имеет в своей основе принцип неопределенности, то есть невозможно абсолютно точно определить сразу два параметра частицы - ее местонахождение и момент частицы. Если удается точно определить местонахождение частицы, то невозможно получить точную информацию о ее моменте, и наоборот.

Как известно, запреты действуют раздражающе, вызывают желание нарушить их. Запреты будят пытливый ум ученого, а если являются еще и абсолютными, то это может обозначать только одно - вечный "будильник" мысли, источник вдохновения для поиска новых идей и новых теорий.

Квантовую неопределенность можно выразить численно. Чаще всего это делается с помощью изображения графического круга, внутри которого помещены реальные координаты, а также реальный момент частицы, над которой производятся измерения. Известно, что изменить площадь круга невозможно, однако можно изменить собственно форму области. На протяжении последних нескольких десятилетий физики научились преобразовывать круг в эллипс и даже вытягивать ее в практически прямую линию. Таким образом, обеспечивается точность какого-либо одного параметра измерения частицы, однако вместе с этим точность измерения другого параметра заметно снижается.

Такой эффект называется "сдавливанием" и применяется в науке для "сдавливания" параметров атомов или фотонов, благодаря чему увеличивается точность измерения одного из ключевых параметров. Метод "сдавливания" применяется для достижения максимальной точности, например, атомных часов или магнитно-резонансных томографов. Используется такой метод и в некоторых приложениях военно-оборонной промышленности.

Исследователям из Технологического института Джорджии (США) под началом профессора физики Майкла Чепмена удалось достичь "сжатия" третьего параметра, который получил название "нематический тензор", или квадруполь.

Примечательно то, что "сжатие" третьего параметра происходит не на уровне отдельной частицы, а на уровне целой группы частиц. Свойство нематичности определяет степень выстраивания микрочастиц в массиве вещества или объекта и играет важную роль при описании жидких кристаллов, некоторых высокотемпературных сверхпроводников и материалов с экзотическими магнитными свойствами. В эксперименте американских ученых такая особенность, как нематичность, понадобилась для описания особой формы материи, которая получила наименование "конденсат Бозе-Эйнштейна". Этот вид материи примечателен тем, что все атомы указанной субстанции находятся в одинаковом квантовом состоянии. Более подробно результаты исследований ученых опубликованы в журнале Nature Physics.

Подобных результатов ученым уже удавалось достигать 15 лет назад. Однако в то время аналогичные опыты позволяли производить эксперименты по "сдавливанию" систем атомов, которые могут лишь находиться в одном из двух квантовых состояний. Физикам удавалось "сдавливать" суммарный угловой момент таких групп, то есть направление возникающего магнитного поля.

В новых экспериментах, проведенных американскими учеными под руководством Чепмена, группы атомов могли иметь одно из трех квантовых состояний, суммарный спин при этом имел нулевое значение. Такого "сдавливания" до сегодняшнего дня еще никому не удавалось осуществить. Новые опыты позволили ученым произвести "сдавливание" нематического тензора в группе атомов рубидия, количество атомов при этом составляло 40 тыс. штук. Атомы рубидия сталкивались между собой, в результате чего некоторые из атомов имели способность обмениваться квантовыми состояниями. В результате атомы становились квантово зависимыми друг от друга. Как говорит сам Чепмен, такое поведение атомов способно снизить неопределенность измерений и сделать их более точными.

Наблюдаемый эффект в будущем будет крайне важным для точных измерений магнитных полей. Точность измерений очень актуальна при производстве квантовых суперкомпьютеров, в которых накопление информации будет происходить в спинах атомов и их нематическом тензоре.

Сложность проведения дальнейших экспериментов обуславливается излишним шумом, который издают приборы лаборатории. Дело в том, что этот шум способен создавать собственные магнитные поля, которые снижают точность экспериментов, и как следствие, точность измерений.