Ученые создали крупный вариант кошки Шредингера
Воображаемое животное из семейства кошачьих, которое одновременно и живо и мертво и которое известно под названием «кошки Шредингера», является известной демонстрацией суперпозиции — реального явления из области квантовой физики.
И недавно ученые продемонстрировали, что явление суперпозиции может проявляться на макроуровне, когда размеры вовлеченных в это объектов и разделяющие их расстояния измеряются десятками сантиметров. Это достижение позволило ученым проверить пределы действия квантовой физики, что, в свою очередь, может оказать влияние на все, что ученые знают о природе окружающей нас реальности.
Законы загадочной квантовой физики определяют, что квантовая Вселенная является нечетким и ирреальным местом. Частицы в этой Вселенной могут существовать в состоянии квантовой суперпозиции, что позволяет им находиться сразу в двух местах одновременно или иметь одновременно два значения какого-либо параметра, определяющего их квантовую природу. Но все это сохраняется лишь до тех пор, пока какой-нибудь сторонний наблюдатель не «бросает взгляд» на эту частицу, оказывая на нее своего рода воздействие.
В момент, когда на квантовую частицу кто-то или что-то обращает внимание, состояние квантовой суперпозиции разрушается в результате явления декогеренции. Частица остается только в одном местоположении или обладает только одним значением ее основного квантового параметра. Квантовые частицы и являются «кошками Шредингера» на микроскопическом уровне, а хрупкость явления суперпозиции служит препятствием для наблюдений этого явления на большем масштабе.
Несмотря на трудности обнаружения проявлений квантовой физики на макроуровне, интерес ученых к этому достаточно велик, ведь на этом уровне можно обнаружить некоторые подсказки, которые позволят связать воедино две совершенно разные теории, теорию квантовой физики и общую Теорию относительности Альберта Эйнштейна. Первая теория объясняет все происходящее во Вселенной на микроуровне, описывая особенности поведения всех элементарных частиц, а общая Теория относительности объясняет природу Вселенной на ее самом большом уровне, затрагивая такие понятия, как пространственно-временной континуум, гравитация и т.п.
И недавно, впервые в истории науки, ученым из Стэфордсокого университета удалось создать квантовую систему, находящуюся в состоянии суперпозиции. При этом, размеры этой системы сопоставимы с размерами натуральной кошки Шредингера. Однако, основу системы составляло нечто, весьма далекое от кошки и всего привычного нам. Система состояла из облаков, в которых насчитывалось около 100 тысяч атомов рубидия, охлажденных до сверхнизкой температуры. Используя решетку из лазерного света, ученые заставили двигаться эти атомы подобно воде в фонтане, превратив облака атомов в своего рода волновые пакеты.
Двигающийся вверх волновой пакет разделялся на два при помощи луча лазерного света и получившиеся два волновых пакета находились в состоянии суперпозиции по отношению друг к другу. Пройдя некоторое расстояние, эти пакеты снова объединялись в один, а анализ свойств пакета после воссоединения позволял ученым сказать, действительно ли два пакета находились в состоянии суперпозиции. Полученные данные показали, что волновые пакеты продолжали находиться в состоянии суперпозиции даже тогда, когда их разделяло расстояние в 54 сантиметра и это состояние сохранялось приблизительно в течение секунды времени.
Ключевым моментом в достижении явления квантовой суперпозиции на макроуровне является чрезвычайно низкая температура, менее миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля, самая низкая температура, которую возможно получить в теории и на практике. Кроме этого, ученым пришлось использовать лазерный свет с особой осторожностью, дабы его энергия не привела к декогеренции квантовой системы и разрушению ее хрупкого состояния.
«Сейчас мы показали, что мы можем воссоздать явление квантовой суперпозиции по отношению к большим объектам. Правда это относительно простые объекты состоящие из разреженных облаков холодных атомов» — пишут исследователи, — «Пока мы еще не можем поместить в состояние суперпозиции большие и сложные объекты, к примеру, людей. Но в будущем мы уже планируем проведение новых экспериментов, и за следующие несколько лет мы надеемся воссоздать состояние квантовой суперпозиции на масштабе, исчисляющемся метрами и десятками метров».
