Физики заставили молекулу из 2000 атомов быть в двух местах одновременно⁠⁠

Долгое время считалось, что законы квантовой механики распространяются только на крошечные объекты, вроде фотонов. Однако физики доказали, что этим правилам могут подчиняться и очень крупные (по меркам молекулярного мира) тела.

Наверное, вы не раз слышали про мысленный эксперимент, который в свое время сформулировал австрийский физик Эрвин Шрёдингер — тот самый, с котом, коробкой и радиоактивным изотопом. По условиям эксперимента, кот может быть одновременно мертв и не мертв, то есть находится в состоянии своего рода квантовой неопределенности — «суперпозиции». Что ж, ученые не стали сажать котов в коробки, а просто провернули тот же эксперимент с огромной молекулой, состоящей из 2000 атомов.

Квантовая суперпозиция была протестирована бесчисленное количество раз на небольших системах, и физики успешно показали, что отдельные частицы могут находиться в двух местах одновременно. Но в подобном масштабе такого рода эксперименты ранее не проводились.

Этот эксперимент позволяет исследователям уточнить гипотезы квантовой механики и лучше понять, как на самом деле работает эта эта загадочная отрасль физики — а также то, как законы квантовой механики объединяются с более традиционными, более масштабными законами физики классической. «Наши результаты показывают отличное согласование с квантовой теорией и не могут быть объяснены с позиции классической физики», утверждают исследователи в своей статье.

В частности, новое исследование включает уравнение Шредингера, которое описывает, как даже отдельные частицы могут вести себя как волны и проявляться в нескольких местах одновременно. Проще всего описать их взаимодействие как рябь на пруду, в который вы кинули сразу несколько камешков.

Чтобы доказать свою гипотезу, ученые организовали эксперимент с двумя щелями — опыт, хорошо знакомый квантовым физикам. Обычно он состоит в проецировании отдельных частиц света (фотонов) через две щели. Если бы фотоны действовали просто как частицы, результирующая проекция света на другую сторону показала бы просто одну полосу. Но на деле свет, проецируемый на другую сторону, показывает интерференционную картину — множество полос, которые взаимодействуют подобно волнам. Как видите, доказательство даже не требует сверхчувствительного оборудования.

Нам кажется, что фотоны находятся в двух местах одновременно, подобно кошке Шредингера. Но, как многим известно, кошка находится в двух состояниях, пока у нее нет стороннего наблюдателя. Когда же коробка открыта, состояние кошки становится определенным — она или жива, или мертва.

То же самое с фотонами. Как только свет измеряется или наблюдается непосредственно человеком, суперпозиция исчезает, и состояние фотона фиксируется. Это одна из главных загадок в основе всей квантовой механики

Исследователи повторили эксперимент с двумя щелями, но использовали не фотоны, а электроны, атомы и небольшие молекулы. Но теперь физики показали, что и огромные молекулы подчиняются тем же правилам! Команда использовала огромные соединения атомов, состоящие из 2000 «деталей», для создания квантовых интерференционных картин, как если бы они вели себя как волны и находились в более чем одном месте одновременно.

Эти колоссальные молекулы известны как «олиготетрафенилпорфирины, обогащенные фторалкилсульфанильными цепями», и некоторые из них были в 25 000 раз превосходили атомы водорода по массе. Но по мере того, как молекулы увеличиваются в размерах, они также становятся менее стабильными, а потому ученым удавалось создавать им помехи только в течение семи миллисекунд за один раз, используя недавно разработанное оборудование — интерферометр волновой материи. Приходилось учитывать даже такие факторы, как вращение Земли и гравитационное притяжение самих атомов. Что ж, работа того стоила.

Теперь мы знаем, что правила квантовой механики применимы не только к ничтожно малым объектам, вроде фотонов, но и к намного более крупным телам. Предыдущий рекорд представлял собой молекулу лишь из 800 атомов — считалось, что это предел, после которого вместо законов квантовой физики начинают действовать законы физики классической. Но и это еще не конец: команда уверена, что уже совсем скоро сможет поставить новый рекорд.