Фізики перевели атоми у стан кота Шредінгера: квантовий світ став ближчим до реальності

Фізики перевели 7000 атомів у стан кота Шредінгера і побили рекорд з найбільшої кількості макроскопічних об'єктів, які можна побачити у квантовій суперпозиції. Вчені побачили, як наночастинки з атомів натрію діють і як частинка, і як хвиля. Тобто наночастинки продемонстрували дивне квантове явище, відоме як корпускулярно-хвильовий дуалізм. Результати цього дослідження відкриває двері для майбутніх експериментів, в яких вчені зможуть спостерігати біологічні молекули, як-от віруси або білки, у квантовій суперпозиції. Це відкриє нові можливості для вивчення їхніх фізичних властивостей. Дослідження опубліковано в журналі Nature, пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Квантова суперпозиція і кіт Шредінгера

У квантовому світі частинки можуть одночасно перебувати в різних станах і це дивне явище відоме як квантова суперпозиція.

Фізик Ервін Шредінгер порівняв це з розміщенням кота в герметично закритій коробці, де знаходиться ємність з отрутою. Ця отрута має заповнити коробку під час розпаду радіоактивного джерела, тому кіт у будь-який час може бути вбитий, після того, як коробка буде закрита.

Але поки коробка закрита, кіт Шредінегра перебуває у квантовій суперпозиції, тобто він одночасно і живий, і мертвий. Дізнатися, в якому саме стані перебуває кіт, можна тільки, якщо відкрити коробку і провести спостереження за котом. Квантовий світ заснований на ймовірностях, а тому квантові частинки в суперпозиції під час спостереження за ними перебувають в одному з можливих станів. При цьому квантові частинки одночасно поводяться і як хвилі, і як частинки, поки за ними не спостерігають.

Таким чином постає питання: де проходить межа між квантовим світом і тим, який ми спостерігаємо щодня, тобто нашою реальністю? У який момент частинка починає поводитися як хвиля?

Чому ми не бачимо суперпозицію в реальному світі?

Причина, через яку ми не бачимо квантову суперпозицію всюди, полягає в процесі, який називається декогеренція. Якщо щось у квантовій суперпозиції взаємодіє зі своїм середовищем, воно декогерується і перестає перебувати одночасно в різних станах.

Більші об'єкти постійно взаємодіють зі своїм середовищем, тому вони не можуть підтримувати квантову суперпозицію. Таким чином, справжня проблема під час спроби спостерігати більші частинки, що діють як хвилі, полягає в їхній ізоляції, щоб вони могли залишатися в когерентній квантовій суперпозиції.

Квантовий світ став ближчим до нашої реальності, завдяки експерименту

Фізики спробували спостерігати великі наночастинки натрію у квантовій суперпозиції. Для цього вони перетворили кілька грамів натрію на пучок наночастинок, який потім направили на вузьку щілину.

Якби наночастинки натрію перебували у квантовій суперпозиції, це означало б, що після проходження через щілину вони поширювалася б у вигляді хвилі. Це призвело б до утворення інтерференційної картини. Але, якби наночастинки декогерували і почали поводитися як звичайні частинки, то натрій пройшов би прямо через щілину, і фізики побачили б плоску лінію.

Під час тривалих експериментів фізики отримали таку інтерференційну картину, яка показала, що наночастинки натрію поводилися одночасно як частинки і як хвилі.

Вчені визначили макроскопічність (величину, що описує, наскільки квантовий об'єкт відхиляється від класичного світу) наночастинок натрію, на рівні 15,5, що на порядок перевищує попередній рекорд макроскопічності для квантових об'єктів у суперпозиції.

Це відкриття відкриває двері для майбутніх експериментів, в яких вчені зможуть спостерігати біологічні матеріали, як-от віруси або білки, у квантовій суперпозиції. Експеримент наближає це дивне квантове явище до реального світу.

Як уже писав Фокус, під час експериментів зі створення умов раннього Всесвіту, фізики змогли створити золото зі свинцю.

Також Фокус писав про те, що астрономи розкрили таємницю вічно молодих зірок, яких не повинно існувати. Вчені з'ясували, яким чином деякі зірки залишаються дуже яскравими і виглядають молодими, хоча їхній вік майже дорівнює віку Всесвіту.