Грандиозный прорыв группы польских исследователей — представлены доказательства фундаментального свойства Вселенной, которое десятилетиями оставалось предметом жарких споров и теоретических спекуляций. Речь идёт о квантовой нелокальности — явлении, заставляющем частицы «общаться» на любых расстояниях без видимого обмена сигналами.
Загадка, над которой бились полвека
Ещё в 1970‑х годах выдающиеся физики Джон Уилер и Кип Торн задались вопросом: почему частицы одного типа (например, электроны) абсолютно идентичны? Почему нельзя найти ни малейших отличий между электроном из далёкой галактики и тем, что вращается вокруг ядра в вашем теле?
«Никакого удовлетворительного объяснения этому чуду идентичности не предложено», — писали учёные полвека назад. И вот теперь, спустя 50 лет, польские исследователи приблизились к разгадке.
Как устроена квантовая неразличимость
В основе открытия лежит один из краеугольных камней квантовой физики — принцип неразличимости. Он утверждает:
- все электроны во Вселенной полностью идентичны;
- два электрона невозможно различить никаким экспериментом, даже если они находятся на противоположных краях космоса;
- каждая частица одного типа квантово «связана» с любой другой.
Это не просто теоретическая абстракция. Из принципа неразличимости вытекает поразительный вывод: вся материя на глубинном уровне представляет собой единое целое.
Квантовая запутанность: не только при взаимодействии
Обычно квантовая запутанность возникает при непосредственном взаимодействии частиц — например, когда фотон расщепляется на пару дочерних, сохраняющих общее квантовое состояние. Но польские учёные доказали: запутанность может иметь более глубокое происхождение.
«Квантовая механика не даёт возможности определить, какая именно частица зарегистрирована детектором, — можно лишь говорить о вероятности обнаружения „некоторой“ частицы в данной области пространства», — объясняет доктор Павел Бласяк из Института ядерной физики Польской академии наук (Краков).
Его коллега, доктор Марцин Маркевич из Института теоретической и прикладной информатики (Гливице), добавляет:
«Это обстоятельство влечёт серьёзные последствия. Для описания систем из одинаковых частиц необходимо использовать особое правило — симметризацию (для бозонов) или антисимметризацию (для фермионов) волновой функции».
Эксперимент, который изменил всё
Чтобы доказать свою гипотезу, учёные разработали новаторский эксперимент. Вместо традиционных методов с маркировкой частиц они использовали:
- зеркала;
- полупрозрачные пластины;
- фотодетекторы.
Ключевой нюанс: световые пучки в установке никогда не пересекались. Если при таких условиях наблюдалось нарушение неравенств Белла (математических критериев, сформулированных физиком Джоном Стюартом Беллом в 1960‑х), это означало: связь между частицами носит фундаментальный характер и не зависит от их физического контакта.
Для анализа огромного числа возможных конфигураций исследователи применили:
- интерферометр Юрке–Столера;
- методы постселекции и квантового стирания;
- математическую индукцию;
- модели со скрытыми переменными.
Неожиданные результаты
Результаты превзошли все ожидания:
- все фермионные состояния (к фермионам относятся электроны, протоны, нейтроны) обладают нелокальными свойствами;
- почти все состояния бозонов (включая фотоны и фононы) также демонстрируют нелокальность — за исключением небольшой группы, сводящейся к одной моде.
«Полученные данные указывают на скрытый источник запутанности, к которому можно получить доступ экспериментально», — подчёркивает доктор Бласяк.
Что это значит для науки?
Открытие имеет колоссальное значение:
- Оно даёт экспериментальный инструмент для изучения фундаментальной природы квантовой запутанности.
- Подтверждает, что вся структура Вселенной пронизана связями, не подчиняющимися расстоянию.
- Открывает путь к новым квантовым технологиям, использующим нелокальные свойства частиц.
«Если элементарные частицы по своей природе неразличимы, то вся материя действительно представляет собой единое квантовое целое», — резюмирует доктор Бласяк.