- 21,915
- 46
- 8 Ноя 2022
Раскрыта 50-летняя загадка Джона Уилера о том, почему частицы одного вида абсолютно идентичны.
Польские физики показали, что фундаментальная квантовая нелокальность — одно из самых загадочных свойств микромира — может проявляться не только в искусственно созданных условиях, но и как непосредственное следствие самого факта тождественности элементарных частиц. Исследование, опубликованное в журнале npj Quantum Information , доказывает: нелокальные квантовые корреляции возникают почти для всех возможных состояний одинаковых частиц и могут быть зарегистрированы с помощью обычных оптических схем.
Чтобы оценить значение открытия, стоит вспомнить, что в основе квантовой физики лежит принцип неразличимости: все частицы одного типа — например, электроны или фотоны — полностью идентичны. Это не приближение, а строгий постулат. Два электрона невозможно различить никаким экспериментом, даже если они находятся на противоположных краях Вселенной. Из этого вытекает неожиданный вывод: каждый электрон в мире квантово «связан» с любым другим, а вся материя на глубинном уровне представляет собой единое целое.
Такое единство проявляется через явление, известное как квантовая запутанность . Обычно запутанные состояния возникают при взаимодействии частиц — например, когда фотон делится на пару дочерних, сохраняющих общее квантовое состояние. Однако группа польских исследователей из Института ядерной физики Польской академии наук (Краков) и Института теоретической и прикладной информатики (Гливице) показала, что запутанность может иметь ещё более глубокое происхождение. Она заложена в саму неразличимость частиц, и именно она порождает нелокальные эффекты, когда события, разделённые расстоянием, оказываются связаны без обмена сигналами.
Понятие нелокальности связано с именем физика Джона Стюарта Белла, который в 1960-х годах доказал: для ряда квантовых систем невозможно построить «локальное» объяснение, где все процессы распространяются со скоростью не выше скорости света и следуют цепочке причин и следствий. Эксперименты, в которых нарушаются неравенства Белла , подтверждают, что частицы ведут себя так, словно мгновенно «знают» состояние своих партнёров, даже находясь на большом удалении.
Обычно такие испытания проводят с различимыми объектами: исследователи маркируют частицы и направляют их в разные лаборатории, где выполняют независимые измерения. С тождественными частицами так поступить нельзя — природа не позволяет присвоить им индивидуальные метки. Как объясняет доктор Павел Бласяк из краковского института, квантовая механика не даёт возможности определить, какая именно частица зарегистрирована детектором, — можно лишь говорить о вероятности обнаружения «некоторой» частицы в данной области пространства. Поэтому классическая схема эксперимента Белла здесь не работает.
Его соавтор, доктор Марцин Маркевич из Гливице, отмечает, что это обстоятельство влечёт серьёзные последствия. Для описания систем, состоящих из нескольких одинаковых частиц, необходимо использовать особое правило — симметризацию (для бозонов) или антисимметризацию (для фермионов) волновой функции. Именно этот принцип лежит в основе деления материи на два фундаментальных класса: фермионы — такие как электроны, протоны и нейтроны, и бозоны — включая фотоны и фононы, то есть кванты звука. Фермионы формируют атомы и ядра, а бозоны обеспечивают взаимодействия между ними.
Но сама неразличимость делает понятие запутанности менее очевидным: если частицы лишены индивидуальности, то привычное представление о «двух связанных объектах» теряет смысл. Поэтому исследователям пришлось заново определить, каким образом возникает нелокальность, проистекающая не из взаимодействия, а из тождества квантовых частиц.
Учёные предложили проверить эту гипотезу с помощью простых оптических систем — зеркал, полупрозрачных пластин и фотодетекторов, — где световые пучки никогда не пересекаются. Если при таких условиях наблюдается нарушение неравенств Белла, это значит, что связь между частицами действительно носит фундаментальный характер и не зависит от их физического контакта.
Чтобы разобраться в огромном числе возможных конфигураций и состояний, авторы использовали целый арсенал инструментов: интерферометр Юрке–Столера, методы постселекции и квантового стирания, математическую индукцию и модели со скрытыми переменными. В итоге им удалось сформулировать критерий, позволяющий однозначно определить, проявляется ли нелокальность для данного квантового состояния при фиксированном числе одинаковых частиц.
Результаты оказались неожиданными: все фермионные состояния и почти все состояния бозонов (кроме небольшой группы, сводящейся к одной моде) обладают нелокальными свойствами. Причём работа носит конструктивный характер — она подробно показывает, как можно спроектировать эксперимент, способный выявить эти эффекты на практике.
По словам доктора Бласяка, полученные данные указывают на скрытый источник запутанности, к которому можно получить доступ экспериментально. Если элементарные частицы по своей природе неразличимы, то вся структура Вселенной пронизана связями, не подчиняющимися расстоянию.
Эта идея возвращает нас к вопросу, который ещё в 1970-х ставили Джон Уилер и Кип Торн: почему частицы одного типа всегда идентичны и откуда берётся это универсальное равенство? Учёные тогда писали, что «никакого удовлетворительного объяснения этому чуду идентичности не предложено». И, похоже, даже спустя полвека эта тайна остаётся одной из центральных загадок физики — но теперь исследователи получили способ наблюдать её проявления прямо в лаборатории.
Польские физики показали, что фундаментальная квантовая нелокальность — одно из самых загадочных свойств микромира — может проявляться не только в искусственно созданных условиях, но и как непосредственное следствие самого факта тождественности элементарных частиц. Исследование, опубликованное в журнале npj Quantum Information , доказывает: нелокальные квантовые корреляции возникают почти для всех возможных состояний одинаковых частиц и могут быть зарегистрированы с помощью обычных оптических схем.
Чтобы оценить значение открытия, стоит вспомнить, что в основе квантовой физики лежит принцип неразличимости: все частицы одного типа — например, электроны или фотоны — полностью идентичны. Это не приближение, а строгий постулат. Два электрона невозможно различить никаким экспериментом, даже если они находятся на противоположных краях Вселенной. Из этого вытекает неожиданный вывод: каждый электрон в мире квантово «связан» с любым другим, а вся материя на глубинном уровне представляет собой единое целое.
Такое единство проявляется через явление, известное как квантовая запутанность . Обычно запутанные состояния возникают при взаимодействии частиц — например, когда фотон делится на пару дочерних, сохраняющих общее квантовое состояние. Однако группа польских исследователей из Института ядерной физики Польской академии наук (Краков) и Института теоретической и прикладной информатики (Гливице) показала, что запутанность может иметь ещё более глубокое происхождение. Она заложена в саму неразличимость частиц, и именно она порождает нелокальные эффекты, когда события, разделённые расстоянием, оказываются связаны без обмена сигналами.
Понятие нелокальности связано с именем физика Джона Стюарта Белла, который в 1960-х годах доказал: для ряда квантовых систем невозможно построить «локальное» объяснение, где все процессы распространяются со скоростью не выше скорости света и следуют цепочке причин и следствий. Эксперименты, в которых нарушаются неравенства Белла , подтверждают, что частицы ведут себя так, словно мгновенно «знают» состояние своих партнёров, даже находясь на большом удалении.
Обычно такие испытания проводят с различимыми объектами: исследователи маркируют частицы и направляют их в разные лаборатории, где выполняют независимые измерения. С тождественными частицами так поступить нельзя — природа не позволяет присвоить им индивидуальные метки. Как объясняет доктор Павел Бласяк из краковского института, квантовая механика не даёт возможности определить, какая именно частица зарегистрирована детектором, — можно лишь говорить о вероятности обнаружения «некоторой» частицы в данной области пространства. Поэтому классическая схема эксперимента Белла здесь не работает.
Его соавтор, доктор Марцин Маркевич из Гливице, отмечает, что это обстоятельство влечёт серьёзные последствия. Для описания систем, состоящих из нескольких одинаковых частиц, необходимо использовать особое правило — симметризацию (для бозонов) или антисимметризацию (для фермионов) волновой функции. Именно этот принцип лежит в основе деления материи на два фундаментальных класса: фермионы — такие как электроны, протоны и нейтроны, и бозоны — включая фотоны и фононы, то есть кванты звука. Фермионы формируют атомы и ядра, а бозоны обеспечивают взаимодействия между ними.
Но сама неразличимость делает понятие запутанности менее очевидным: если частицы лишены индивидуальности, то привычное представление о «двух связанных объектах» теряет смысл. Поэтому исследователям пришлось заново определить, каким образом возникает нелокальность, проистекающая не из взаимодействия, а из тождества квантовых частиц.
Учёные предложили проверить эту гипотезу с помощью простых оптических систем — зеркал, полупрозрачных пластин и фотодетекторов, — где световые пучки никогда не пересекаются. Если при таких условиях наблюдается нарушение неравенств Белла, это значит, что связь между частицами действительно носит фундаментальный характер и не зависит от их физического контакта.
Чтобы разобраться в огромном числе возможных конфигураций и состояний, авторы использовали целый арсенал инструментов: интерферометр Юрке–Столера, методы постселекции и квантового стирания, математическую индукцию и модели со скрытыми переменными. В итоге им удалось сформулировать критерий, позволяющий однозначно определить, проявляется ли нелокальность для данного квантового состояния при фиксированном числе одинаковых частиц.
Результаты оказались неожиданными: все фермионные состояния и почти все состояния бозонов (кроме небольшой группы, сводящейся к одной моде) обладают нелокальными свойствами. Причём работа носит конструктивный характер — она подробно показывает, как можно спроектировать эксперимент, способный выявить эти эффекты на практике.
По словам доктора Бласяка, полученные данные указывают на скрытый источник запутанности, к которому можно получить доступ экспериментально. Если элементарные частицы по своей природе неразличимы, то вся структура Вселенной пронизана связями, не подчиняющимися расстоянию.
Эта идея возвращает нас к вопросу, который ещё в 1970-х ставили Джон Уилер и Кип Торн: почему частицы одного типа всегда идентичны и откуда берётся это универсальное равенство? Учёные тогда писали, что «никакого удовлетворительного объяснения этому чуду идентичности не предложено». И, похоже, даже спустя полвека эта тайна остаётся одной из центральных загадок физики — но теперь исследователи получили способ наблюдать её проявления прямо в лаборатории.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
