fbpx

Физици наблюдаваха квантови свойства в рекордно масивни обекти

Учените от десетилетия се опитват да напипат границата между квантовия свят с неговите странни закони и обикновените човешки възприятия на реалността. Благодарение на ново изследване, проведено във Виенския университет от екип под ръководството на Яков Фейн, съществуващата граница беше съществено предвижена. Физиците наблюдавали квантова интерференция на молекули с рекордна маса, състоящи се почти от 2000 атома. Освен това те проверили някои теории за това как квантов обект се превръща в класически в момента на измерване. Резултатите от изследването са публикувани в Natute Physics .

Безумният квантов свят

Квантовата механика е една от най-внимателно проверяваните теории във физиката. На нейните принципи се базират технологии, които използваме ежедневно: от електрониката до лазерите и много други. Така че всеки от нас може да засвидетелства, че квантовите закони работят, просто включвайки компютъра или смартфона си.

Но тези закони се различават от закономерностите в нашия обичаен свят. Особено е тежко на студентите от физическите факултети, които навлизайки в света на квантовата механика много често изживяват пълен “културен” шок.

Например, за квантов обект (да кажем частица) не можем да кажем, че тя се намира на определено място. Съществува само вероятност в процеса на измерване да открием частицата в тази или онази точка, и във всяка точка вероятността да бъде там ще бъде по-голяма от нула. Тоест до експеримента обектът както и да е разположен в пространството се намира едновременно навсякъде.

Подобна неопределеност е характерна не само за координатите на квантовия обект, но и за всички останали физични величини, които са характерни за един или друг обект.

Тези параметри, „размазани и неопределени” до измерването, в процеса на измерване демонстрират конкретни значения. Енергията на частиците се оказва равна, например на 10 електронволта, а нейните координати са 5,6 и 7 фемтометра, и така нататък.

Освен това, формулите помагат на физиците много точно да пресметнат значението и вероятността при измерването на една или друга величина. В това се състои и прогностичната сила на квантовата механика, позволяваща създаването на лазерите и смартфоните.

Проклетите въпроси

Но тук възникват веднага два въпроса. Първият е: какво става с квантовия обект в момента на измерване? Как и защо неопределените значения се превръщат в определени? На този въпрос засега няма общоприет отговор. В неговото търсене физиците измислят все по-сложни експерименти и водят теоретични дискусии, които често те се превръщат във философски дебати.

Вторият въпрос е свързан с това, че обкръжаващите ни в бита предмети , да кажем чашката ни за кафе или бюрото, не проявяват тези странни квантови свойства.

Общоприето мнение е, че квантовите свойства постепенно изчезват, когато в процеса се включват все повече частици. Но тук възниква въпроса, стоял и пред древните гърци, колко камъка трябва да сложиш за да получиш купчина? Квантови свойства при отделните частици, атоми или малки молекули са експериментално демонстрирани. Но ще се появят ли те при молекулата на полиетилена, съдържаща десетки хиляди атоми? Възможно ли е да се проведе експеримент, който да демонстрира изчезващите малки прояви на квантовата природа в чашка сутрешно кафе?

Новото изследване има отношение и към двата, споменати по-горе, въпроса. То демонстрира ключовото квантово явление – суперпозицията на състоянието и то за рекордно големи молекули. Едновременно с това позволява да се проверят някои теории, даващи възможност за решаване на проблема с измерванията.

По-близо до всекидневния ни свят, откогато и да било

Състоянието на квантовия обект, било то частица, атом или молекула, се описва с така наречената вълнова функция. В частност, вълновите функции са склонни към интерференция, тоест могат да се наслагват една на друга.

При интерференцията на две вълнови функции, системата се намира все едно в смес от състояния, описвани от тези функции. Именно това представлява знаменития парадокс на котката на Шрьодингер, която до отварянето на кутията се намира в смес от състояния „жива” или „мъртва”.

Явлението на интерференция на състоянията е едно от ключовите различия между нашия обичаен свят и квантовия. Великият физик Ричард Фрейнман го е наричал сърцето на квантовата механика.

Авторите на новото изследване са демонстрирали квантова интерференция за молекули C707H260F908N16S53Z4. Всяка молекула , както се вижда от формулата, се състои от 1948 атома. Тяхната сумарна маса превишава 25 хиляди атомни единици, което е няколко пъти повече от предишния рекорд. В своята научна статия , авторите наричат тези молекули, „безусловно най-масивните обекти, които някога са демонстрирали интерференция”. Изследователите е трябвало да прилагат специални методи за синтез на такива сложни молекули, които да са достатъчно устойчиви за да формират стабилен сноп във свръхвисок вакуум.

Илюстрация  на масивните молекули
Илюстрация на делокализацията на масивните молекули, използвани в експеримента
Източник: © Yaakov Fein, Universität Wien

Доколко тази молекула е близка до макросвета, в който квантовите свойства не се наблюдават? Има няколко скали, които позволяват това да се измери.

Например, всяка система има така наречената дължина на вълната на дьо Бройл. Когато тя е сравнима с размера на самата система, за последната са съществени квантовите свойства. Дължината на вълната на дьо Бройл за електрона в атома на водорода е приблизително равна на диаметъра на самия атом и затова атомът е безусловно квантов обект.

Дължината на вълната на дьо Бройл на гореспоменатата сложна молекула е 53 фемтометра. Това е приблизително десет хиляди пъти по-малко от размера на самата молекула. В този смисъл такава молекула е десет хиляди пъти по-близо до макроскопично тяло, отколкото атома на водорода.

Но могат да се използват и други показатели. Преди няколко години беше предложена обобщена характеристика за това доколко експеримент за квантова суперпозиция се приближава до макроскопичните явления. Характеристиката така и се нарича – макроскопичност. Макроскопичността на опитите на екипа на Фейн била 14,1 , което е десет пъти повече от предишния рекорд.

По този начин физиците са установили нова граница между макроскопичния и микроскопичния свят, където квантовите свойства все още се наблюдават.

„Нашите експерименти показват, че квантовата механика при всичките и странности, удивително добре преминава проверките и аз се надявам, че бъдещите експерименти ще я проверят на обекти с още по-големи маси” – казва Фейн.

Проблемът на измерването

Новото постижение е важно и в светлината на друг споменат въпрос: Какво става със системата в момента на измерване? Някои теории описват това превръщане на неопределените значения на физическата величина в определени, като „колапс на вълновата функция”. При това обектът, подчиняващ се на квантовите закони, се превръща в класически с обичайни свойства.

Моделът на колапс на вълновата функция предполага , че такава участ в края на краищата ще се случи с всяко тяло. При това, времето за съществуване на обекта в квантово състояние е обратно пропорционално на квадрата на масата му. По тази причина свободният електрон с неговата нищожно малка маса от 10⁻²⁷ грама остава квантов обект през цялото време на съществуване на Вселената, ако разбира се никой не го докосва.

В момента на измерване на частицата, тя влиза във взаимодействие с прибора, който има макроскопична маса и фактически се обединяват в една система. По тази причина вълновата функция колапсира и величината, характеризираща електрона, придобива определени значения.

Така се е получило, че различните варианти на тази изящна теория, предполагат различна скорост на колапса на вълновата функция. Съгласно измерванията на екипа на Фейн, молекулите са се намирали в състояние на интерференция повече от седем милисекунди.

0 0 votes
Article Rating
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments

Харесайте ни :-)


This will close in 25 seconds

Дари
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x