Задача, поставленная перед физикой почти столетие назад, наконец-то получила точное математическое решение. Речь идет о квантовом затухающем гармоническом осцилляторе — фундаментальной модели, описывающей, как атомы теряют энергию в твердых телах. Почему это событие столь значимо для науки и какие перспективы открываются благодаря новым достижениям квантовой теории? Редакция журнала «ОК» разбирает детали крупнейшего прорыва лета 2025 года и его значение для будущих технологий.
Исторический фон: задача Лэмба и вызовы квантовой турбулентности
Истоки загадки уходят в начало XX века, когда британский физик Хорас Лэмб предложил модель для описания энергопотерь колеблющейся частицы в твердом теле. Если в классической физике затухание можно было объяснить трением или сопротивлением среды, то на квантовом уровне всё не так очевидно. Вот уже почти 90 лет физики бились над тем, как учесть взаимодействие частицы с остальным веществом, не нарушая фундаментальный принцип неопределённости Гейзенберга, согласно которому невозможно одновременно точно измерить положение и импульс частицы. Эта задача известна как типичная «проблема многих тел».
Квантовое затухание: в чем суть открытия?
До недавнего времени не существовало полной модели, позволяющей строго описать затухание на квантовом уровне. Учёные Трент Клагерти и Вьет Динь (Университет Вермонта, США) опубликовали в июле 2025 года работу, в которой удалось построить точное математическое описание квантового затухания благодаря использованию многомодового преобразования Боголюбова — сложной процедуры, позволяющей привести гамильтониан системы к удобному аналитическому виду (диагонализовать его). В результате физики получили возможность описать состояние, называемое «многомодовым сжатым вакуумом».
Это позволило не только соблюсти принцип неопределённости, но и детально рассмотреть, как взаимодействие частиц приводит к изменению распределения энергии и «шуму» в квантовых измерениях.
Ключевые особенности нового математического решения
Новое решение гранично важно по следующим причинам:
- Оно впервые учитывает взаимодействие каждой отдельной частицы с остальными атомами в кристаллической решётке, что ранее было невозможно из-за сложности такой модели;
- Получен полный спектр энергий и распределений вероятностей затухающих квантовых осцилляторов;
- Продемонстрирована возможность «сжимать» неопределённость координаты атома ниже стандартного квантового предела (за счёт увеличения неопределённости в импульсе);
- Модель открывает путь для разработки сверхточных методов измерения квантовых расстояний — например, в квантовых сенсорах и нанотехнологиях.
Почему это важно: практические перспективы
Точное описание поведения затухающих осцилляторов закладывает фундамент для самых различных отраслей:
- Металлургия и материаловедение: лучшая микроскопическая диагностика кристаллических структур;
- Квантовые вычисления: оптимизация устройств, работающих на основе сверхпроводников;
- Ультраточные сенсоры: открывается путь к созданию устройств, способных измерять расстояния и движения на уровне отдельных атомов, что раньше было ограничено «квантовым шумом».
«ОК» отмечает: чем ниже можно опустить уровень шумов в измерениях, тем шире диапазон задач — от метрологии до технологии изготовления квантовых чипов.
Научные детали: что такое «сжатый вакуум»?
В основе прорыва лежит переосмысление так называемого «сжатого вакуума». Это особое квантовое состояние, в котором флуктуации — случайные квантовые вариации — одной физической величины снижаются (например, координаты), а другой — возрастают (импульса). Теоретически это позволяет делать измерения с точностью ниже стандартного квантового лимита.
Ранее подобные состояния обсуждались лишь в контексте экспериментов с лазерами и оптикой. Теперь же ясно, что к ним относится и вибрация атома в твёрдом теле, что расширяет спектр физических платформ для практического применения.
Сравнение с классической и современной наукой
Редакция «ОК» ранее уже рассказывала о прорывах в моделировании турбулентности жидкости и решении уравнений для акустических волн в сложных средах. Важность этих достижений трудно переоценить — они позволяют не только строить новые теории, но и экспериментально проверять модели на доступном оборудовании, а не только на суперкомпьютерах.
Новое решение по квантовым затуханиям — логичное развитие этих исследований, но на совершенно новом, квантовом уровне.
Проблема многих тел и мультидисциплинарный подход
Важно отметить, что успех стал возможен благодаря объединению идей из статистической физики, квантовой теории и математики — в частности, теории Бозе- и Ферми-газов. Как подчеркнули авторы, речь идёт о качественном прорыве в понимании не только затухания, но и самого механизма передачи информации и энергии в кристаллических и аморфных средах.
Экспертные мнения и отзывы
Коллеги по цеху уже высоко оценили новизну результата. Это решение не только проливает свет на изначальную задачу Лэмба, но и повышает шансы распутать ещё более сложные загадки, такие как квантовая турбулентность, длящийся обмен энергией среди множества частиц и даже поведение материи внутри нейтронных звёзд, где коллективные эффекты доминируют над индивидуальными.
Куда ведёт научный прогресс: новые горизонты
Кардинальные прорывы в фундаментальной науке обычно оказываются востребованы десятилетиями спустя — вспомним расшифровку ДНК или открытие полупроводников. Сегодняшнее решение задачи квантового затухания ещё не переросло в массовые устройства, но уже сейчас закладывает основу для развития новых методов квантовой метрологии, измерительных технологий и возможностей для изучения материи и энергии на микроскопическом уровне.
Что думает редакция «ОК»: умение задавать «неправильные» вопросы
Это открытие наглядно демонстрирует: упорство физиков и поиск новых математических подходов приводят к разгадыванию старейших научных загадок. Мы убеждены — и наука, и технологии выиграют от этой работы. Если вы рады за фундаментальную науку или хотите узнать больше о квантовой физике и её приложениях — следите за новостями «ОК», обсуждайте материал в комментариях и делитесь вашими вопросами.
А как вы думаете, где ещё могут пригодиться квантовые эффекты? Ждём ваши мнения под статьёй! Подписывайтесь, чтобы быть в курсе свежих открытий, и делитесь публикацией с друзьями. «ОК» всегда готов ответить на ваши вопросы и осветить самые важные научные события — простым и понятным языком.