Оказывается, квантовая запутанность – это куда более сложный механизм, и он проявляется там, где ранее считалось невозможным в принципе. Так группа ученых смогла добиться существенного прогресса в изучении внутренней структуры протонов. И им впервые в истории удалось доказать, что кварки и глюоны (из которых состоят протоны) также подвержены квантовой запутанности – тому самому загадочному явлению, которое когда-то вводило в замешательство самого А. Эйнштейна.
Квантовая запутанность и ее распространенность
Квантовая запутанность означает, что две связанные частицы могут мгновенно оказывать влияние друг на друга, невзирая на расстояние между ними. Даже если они будут находиться на разных окраинах нашей необъятной Вселенной.
Этот феномен был невозможен с точки зрения теории относительности, в которой говорится, что ничто не способно перемещаться быстрее скорости света.
В свое время Эйнштейн был настолько озадачен, что называл квантовую запутанность никак иначе как "жутким дальнодействием" (spukhafte Fernwirkung).
И экспериментальные данные подтверждали сам факт существования квантовой запутанности. Однако до сих пор большая часть исследований этого феномена была направлена на изучение запутанности и ее свойствах на все больших расстояниях.
Новый же эксперимент пошел, наоборот, в противоположную сторону, и ученые смогли обнаружить запутанность на расстоянии всего в одну квадриллионную долю метра внутри отдельных протонов.
Вот что рассказал по этому поводу физик Лаборатории Брукхейвена Жоудунмин Ту:
«До нашей работы никто не искал квантовую запутанность внутри протона в экспериментальных данных столкновений высоких энергий. Десятилетиями мы придерживались традиционного взгляда на протон как на набор кварков и глюонов, сосредотачиваясь на изучении свойств отдельных частиц и их распределении внутри протона. Теперь, когда мы получили доказательства запутанности кварков и глюонов, картина изменилась. Мы имеем дело с гораздо более сложной, динамичной системой».
Теперь же перед учеными стоит еще одна не менее амбициозная задача – выяснить, что же происходит с квантовой запутанностью, когда протон находится в более сложном окружении. Например, ученые хотят выяснить, способна ли плотная ядерная среда нарушить свойства квантовой запутанности или нет. Так процесс, который ученые называют "квантовая декогеренция", станет одним из главных направлений будущих исследований.
Это же исследование, которое продолжалось на протяжении последних шести лет, серьезно расширило понимание того, как запутанность влияет на структуру протонов.
Для того чтобы понять и изучить внутреннюю структуру протонов, ученые проанализировали данные, полученные на БАК (Большом адронном коллайдере).
Для анализа команда применила методику, разработанную в 2017 году, в которой к столкновениям электронов и протонов применяли принцип квантовой информатики.
Таким вот образом ученые могут определить, что и, самое главное, как влияет на траектории разлетающихся фрагментов в БАК.
И ученые во время анализа, отталкивались от того, что если кварки и глюоны действительно находятся в состоянии квантовой запутанности, то это будет отражаться на хаотичности или «энтропии» потоков, так называемых дочерних частиц.
Для понимания ученые предложили представить две комнаты. В одной все расставлено аккуратно по полочкам, а в другой все вещи свалены и лежат, как попало. Так вот, в неорганизованном помещении энтропия высока, а в организованном, наоборот, низка. И вот этот вот пресловутый «беспорядок» и должен указывать на наличие той самой квантовой запутанности.
И ученые на практике нашли подтверждение своей теории в архивных данных.
На самом деле это открытие может иметь особое значение для будущей физики элементарных частиц. Ведь как только ученые найдут ответ на другой вопрос, а именно: сохраняется ли эта запутанность в протоне, когда он включен в состав атома, или же сложное окружение разрушает его? То может случиться, что все наше представление о строении материи придется в корне пересматривать и строить, по сути, новую физику.