Частица вещества, которая одновременно движется сразу по нескольким путям, звучит как прием из научной фантастики. Но физики из Австралийского национального университета сумели показать именно такое поведение в эксперименте с атомами гелия. Раньше похожие опыты чаще проводили с фотонами, а здесь речь идет о частицах с массой, на которые действует гравитация. Поэтому новый результат выводит квантовые эффекты из привычной оптики ближе к обычной материи и к старому вопросу о том, как квантовая механика сочетается с гравитацией.
Для неспециалиста вся конструкция звучит почти абсурдно. Квантовая теория давно допускает, что частица может находиться сразу в двух местах, а ее волновое состояние способно интерферировать само с собой. На бумаге идея существует больше века, но показать подобное поведение у материального объекта крайне трудно. Даже с фотонами задача оставалась непростой. С атомами контроль становится еще сложнее: у них есть масса, на движение влияет притяжение, а эксперимент требует гораздо более точной настройки.
Авторы выбрали гелий. Атомы гелия удобны для подобных опытов, но при этом остаются полноценными частицами вещества, а не безмассовыми квантами света. Наблюдение запутанности в движении таких объектов стало заметным шагом дальше по сравнению с прежними экспериментами с частицами света. Новый результат показывает, что эффекты, которые часто кажутся странностями микромира, сохраняются и в более осязаемых системах.
Предыдущие попытки уже были, но до убедительного результата не доходили. Команда ANU смогла зафиксировать поведение, которое квантовая теория предсказывала давно: частица вещества может находиться сразу в двух местах и интерферировать между этими состояниями. Для учебника квантовой механики тезис не новый, но для эксперимента с атомами он до сих пор оставался очень трудной задачей.
Отсюда и интерес к работе. Квантовая механика отлично описывает явления на малых масштабах, где действуют вероятности, суперпозиции и запутанность. Общая теория относительности так же уверенно работает с гравитацией, движением планет и устройством пространства-времени. Прямо совместить оба описания физики до сих пор не удалось. Эксперименты с частицами вещества, чувствительными к гравитационному полю, дают способ проверять границу между этими двумя картинами не только в расчетах, но и на практике.
Если частицы вещества удается удерживать в состояниях, где они как будто находятся сразу в нескольких местах, у исследователей появляется новый инструмент. С его помощью можно смотреть, как гравитация влияет на такие хрупкие квантовые состояния и где привычная квантовая картина начинает давать сбой. Работа австралийских физиков не закрывает спор о теории всего, но переводит старую идею из области красивых формул в область наблюдаемого эксперимента. Теперь речь идет не об эффектной абстракции, а о наблюдаемом свойстве материи.