50 лет назад Джон Уилер и Кип Торн поставили загадку, которая беспокоила многих учёных: почему все частицы одного типа абсолютно идентичны, несмотря на то что находятся в разных частях Вселенной. Ответ, наконец, найден — и он обещает перевернуть наши представления о квантовой механике.
Польские физики сделали прорывное открытие, которое связывает неразличимость элементарных частиц с фундаментальной квантовой нелокальностью. Ранее считавшееся искусственно созданным явление, теперь оказывается неотъемлемой частью самой природы микромира. Исследование, опубликованное в журнале npj Quantum Information, доказало, что нелокальные квантовые корреляции возникают практически для всех состояний одинаковых частиц.
Открытие, которое ставит точку в 50-летней загадке
Чтобы понять важность нового открытия, давайте вспомним, что было известно ранее. Одним из основополагающих постулатов квантовой механики является принцип неразличимости: все частицы одного типа, например, электроны или фотоны, абсолютно идентичны. Это не приближение, а строгий закон. Два электрона невозможно различить, даже если они находятся на противоположных концах Вселенной.
Но если все частицы идентичны, это значит одно: каждая частица «квантово связана» с любой другой частицей того же типа. И эта взаимосвязь лежит в основе явления, известного как квантовая запутанность.
Ранее запутанность возникала лишь при взаимодействии частиц, например, когда фотон распадается на пару дочерних. Однако группа польских физиков из Института ядерной физики Польской академии наук и Института теоретической и прикладной информатики установила, что запутанность может быть заложена не только в результате взаимодействия частиц, но и в самой неразличимости частиц. Это открытие ставит новый взгляд на квантовую нелокальность, которую можно наблюдать даже в случае одинаковых частиц.
Нелокальность: что это и почему это важно?
Понятие нелокальности пришло в физику благодаря Джону Стюарту Беллу. В 1960-х годах учёный доказал, что в ряде квантовых систем невозможно объяснить явления локально — то есть в рамках классической физики, где всё происходит в определённом месте и во времени. Это означает, что частицы могут «знать» о состоянии друг друга мгновенно, даже находясь на значительном расстоянии.
Представьте, что две частицы разделены миллионами километров. Несмотря на расстояние, они способны мгновенно взаимодействовать. Такое поведение нарушает привычные представления и даже противоречит принципам теории относительности — особенно ограничению на скорость передачи информации. Обычно подобные эксперименты проводят с различимыми частицами. Учёные маркируют их и отправляют в разные лаборатории для измерений. Но с тождественными частицами этот подход невозможен, ведь их нельзя отличить друг от друга.
Именно это обстоятельство и стало главным вызовом для физиков, когда они попытались доказать квантовую нелокальность с одинаковыми частицами.
Новый взгляд на «неразличимость» и запутанность
Исследователи из Польши нашли решение этой проблемы. Учёные использовали простые оптические системы — зеркала, полупрозрачные пластины и фотодетекторы. С их помощью они проверили, как проявляется нелокальность при взаимодействии тождественных частиц. Эксперименты показали, что даже если частицы нельзя пометить или различить, связь между ними сохраняется.
Таким образом, они доказали, что квантовая запутанность и нелокальность не ограничиваются лишь взаимодействиями частиц. Эти явления напрямую вытекают из неразличимости частиц, что подтверждает глубину и универсальность квантовых корреляций.
Открытия о природе материи
Задача, поставленная учёными ещё в 1970-х годах, заключалась в том, чтобы понять, почему все частицы одного типа идентичны. Как это возможно, и почему этот принцип лежит в основе всех материальных объектов? Этот вопрос оставался без ответа долгие годы. Однако новое исследование польских физиков проложило путь к его решению.
Как утверждают авторы работы, это открытие указывает на скрытые связи между элементарными частицами. Эти связи существовали всегда и не зависят от расстояния между частицами. Таким образом, физикам удалось доказать, что вся структура Вселенной пронизана квантовыми взаимосвязями. Эти связи не подчиняются законам классической физики и существуют по собственным, уникальным правилам.
Будущее квантовой механики
Результаты исследования показывают, что наш мир гораздо более взаимосвязан, чем мы могли себе представить. Неразличимость элементарных частиц — это не просто абстрактная идея. Это реальное физическое явление, которое наблюдается в природе. Оно имеет глубокие последствия для квантовой теории и влияет на её практические применения.
Что это значит для будущих экспериментов и технологий? Возможно, новые методы манипуляции квантовыми частицами приведут к созданию более мощных и эффективных квантовых компьютеров. А ещё — эти результаты могут открыть новые горизонты в изучении вселенной, где каждый объект и событие имеет скрытые, нелокальные связи.
Мы на пороге новой эпохи в квантовой физике
Загадка Джона Уилера, над которой учёные ломали голову в течение полувека, наконец-то раскрыта. Ответ, полученный из Польши, не только объясняет тождественность элементарных частиц. Он также открывает новые возможности для понимания самой природы реальности. Шаг за шагом квантовая механика приближается к тому, чтобы преодолеть границы классического мира. Она стремится показать нам истинную структуру вселенной — сеть взаимосвязанных, но невидимых элементов.
Если раньше квантовая запутанность казалась чудом, то теперь мы можем наблюдать её проявления в лабораториях. И, возможно, это только начало долгого пути, который приведёт к революционным изменениям в нашем понимании мира.
Этот материал подготовлен без спонсоров и рекламы. Если считаете его важным — вы можете поддержать работу редакции.
Ваша поддержка — это свобода новых публикаций. ➤ Поддержать автора и редакцию