В знаменитом романе Льюиса Кэрролла "Алиса в стране чудес" Чеширский кот — едва ли не самый запоминающийся персонаж. Он обладал не только отменным чувством юмора, но и уникальной способностью растворяться в воздухе, оставляя на прощание свою улыбку. Для литературного произведения здесь нет ничего необычного, но в реальной жизни такого не видел никто.
Тем не менее, специалисты по квантовой физике ещё могут посоревноваться с Кэрроллом в изощрённости мышления. Поэтому они задались вопросом, может ли в самом деле некий объект быть отделён от его собственных свойств? С точки зрения квантовой механики, такое вполне возможно.
В эксперименте частицы нейтроны вполне способны путешествовать по одному пути, а одно из их свойств — магнитный момент — по другому. Это явление, которое физики окрестили квантовым Чеширским котом и описали в статье журнала Nature Communications, может быть использовано для измерений высокой точности, которые были бы менее чувствительны к внешним возмущениям.
В соответствии с законами квантовой физики, частицы могут находиться в разных физических состояниях одновременно. Если, например, пучок нейтронов делится на два пучка с использованием кремниевого кристалла, можно увидеть, что отдельные нейтроны не будут "решать", какой из двух возможных путей они выбирают. Вместо этого они могут путешествовать по обоим путям одновременно, находясь в состоянии квантовой суперпозиции.
"Этот экспериментальный метод называется нейтронной интерферометрией", — говорит ведущий автор исследования профессор Юдзи Хасегава (Yuji Hasegawa) из Венского технологического университета. — "Он был изобретён здесь, в нашем институте, в 1970-х годах, и он оказался идеальным инструментом для исследования фундаментальных законов квантовой механики".
Чтобы убедиться, что та же самая методика способна отделить свойства частицы от самой частицы, Хасегава собрал крупную команду коллег и разработал новый квантовомеханический эксперимент. Опыт проводили на нейтронном источнике в институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, где этот уникальный вид измерительной станции находится под управлением венской команды физиков.
Поскольку электроны обладают нейтральным электрическим зарядом, но при этом несут магнитный момент, они также имеют магнитное направление, спин нейтрона, который может находиться под влиянием внешних магнитных полей.
Эксперимент проходил следующим образом. Сначала пучок нейтронов расщепляется на две части в нейтронном интерферометре. Тогда спины двух пучков оказываются сдвинуты в различных направлениях: нейтрон верхнего луча обладает спином параллельно траектории нейтронов, а спин нижнего пучка в указывает противоположном направлении.
После рекомбинирования двух пучков выбираются только те нейтроны, которые имеют спин параллельный с их направлением движения — остальные просто игнорируются. Как поясняют физики в пресс-релизе, это называется постселекцией: луч содержит нейтроны обоих направлений спина, но учёные анализируют только часть из них.
Оказалось, что нейтроны, которые имеют спин параллельный с их направлением движения, должны были проходить только по верхнему пути, поскольку только там частицы могут обладать вышеупомянутым спином. Опыт это с лёгкостью демонстрирует: если нижний луч направляется через фильтр, который поглощает часть нейтронов, то число нейтронов со спином, параллельным их траектории, остаётся неизменным; а если верхний луч направляется через фильтр, то число его нейтронов уменьшается.
Всё становится ещё сложнее, когда система используется для измерения местоположения спина нейтрона, поскольку внешнее магнитное поле могло его изменить. Когда два луча рекомбинируют друг с другом соответствующим образом, они могут усиливать или компенсировать друг друга. Этот эффект проявляется в измерении, если магнитное поле приложено к нижнему пучку, однако, как было упомянуто выше, нижний путь частицы не должны были "выбрать". Магнитное поле, приложенное к верхнему пучку, с другой стороны, не имеет никакого эффекта.
"Подготавливая нейтроны в специальном начальном состоянии, а затем проводя постселекцию в другом состоянии, мы можем достичь эффекта, при котором оба возможных пути в интерферометре важны для эксперимента, но каждый по-своему. На одном из возможных путей сами частицы замыкаются на наших измерительных устройствах, но к магнитным спиновым взаимодействиям чувствителен только противоположный пучок. Система ведёт себя так, как будто частицы были пространственно отделены от их собственных свойств", — рассказывает соавтор исследования Тобиас Денкмайр (Tobias Denkmayr).
Этот парадоксальный эффект имеет огромное значение для высокоточных измерений, которые очень часто основаны на принципе квантовой интерференции. Явление квантового Чеширского кота может свести к минимуму воздействие внешних возмущений на систему, которую необходимо измерить. Напомним, что согласно квантовомеханическому принципу неопределённости Гейзенберга, невозможно одинаково точно измерить два свойства одной системы, однако новое открытие позволит снизить разницу между точными измерениями.
Также по теме:
Физики описали парадокс квантовой голубятни
Американский физик разгадал парадокс кота Шрёдингера
Физики разгадали многолетнюю загадку о поведении электронов
В алмазе увидели квантовый эффект Зенона
Квантовое состояние при комнатной температуре удержали 39 минут
