Свет впервые сфотографировали как волну и частицу одновременно
Изображение: Fabrizio Carbone / EPFL
Швейцарские ученые разработали экспериментальный метод, позволяющий заснять свет одновременно в виде волны и потока частиц (фотонов). О своем открытии они рассказали на страницах журнала Nature Communications, а коротко об исследовании сообщается в пресс-релизе Федеральной политехнической школы Лозанны.
Ученые придумали, как сфотографировать само средство, необходимое для фотографирования, - свет. Группа Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) выстрелила лазерным импульсом в сторону нанопровода (диаметром 0,00008 миллиметра). Лазер придает энергию заряженным частицам в нанопроводе, заставляя их вибрировать. Теперь свет перемещается по проволоке в противоположных направлениях (как машины на двухполосной магистрали), а при встрече этих двух волн образуется третья - стоячая. Именно она, излучая у поверхности провода, и стала источником света для эксперимента.
На втором этапе эксперимента ученые выстреливают потоком электронов, используя их для отображения стоячей волны. По мере взаимодействия с последней частицы ускоряются или замедляются. С помощью сверхбыстрого микроскопа, фиксирующего точки, где происходит смена скорости, исследователи смогли получить картинку стоячей волны, демонстрирующую волновую природу света.
Что касается частиц, то электроны, проходя мимо стоячей волны, ударяют по фотонам - что опять же меняет их скорость. Динамика этих изменений напоминает обмен «пакетов» (квантов) энергии между двумя группами частиц. Само наличие этих «пакетов» указывает на то, что свет на нанопроволоке ведет себя как поток частиц.
«Эксперимент показывает, что мы - впервые - научились напрямую снимать квантовую механику, со всеми ее парадоксальными свойствами», - заявил Карбоне. Данное открытие окажется полезным для квантовых компьютеров, считает ученый.
Click to viewУченые из Австралии и Франции провели эксперимент, который, по их словам, указывает на реальность волновой функции (пси-функции). Pезультаты своих исследований физики опубликовали в журнале Nature Physics. Bолновая функция описывает состояние микрочастицы и фигурирует в уравнении Шредингера в квантовой механике. Именно с ней связано большинство проявлений квантовой теории, отличающих ее от классической физики. Квадрат модуля пси-функции определяет вероятность частицы принимать то или иное состояние. Ее можно представить в виде суммы слагаемых (суперпозиции состояний), а сам процесс измерения сводится к извлечению одного из возможных слагаемых.
Философия
Ученые, как правило, придерживаются одного из двух мнений о волновой функции. Согласно первой точке зрения, пси-функция реальна (является частью объективной реальности) и способность кота Шредингера быть одновременно и мертвым, и живым, является объективной характеристикой природы.
Это составляет содержание так называемой онтологической интерпретации квантовой теории. Объективность здесь означает, что такое свойство волновой функции никак не связано с человеком и его представлениями о природе. Волновой функции все равно, что «думает» о ней человек.
Вторая точка зрения сводится к тому, что волновая функция - это математический объект, вводимый из-за недостаточного знания учеными закономерностей квантового мира. В частности, такой точки зрения придерживался Альберт Эйнштейн. «Вы действительно считаете, что Луна существует, только когда вы на нее смотрите?» - говорил ученый.
Изображение: Nature Physics
(a) Квантовые состояния системы отвечают векторам в абстрактном многомерном гильбертовом пространстве. (b) Онтологическая интерпретация предусматривает наличие непересекающихся распределений плотностей вероятности. (c) Эпистемологическая трактовка связана с пересечением таких распределений.
Эта и некоторые другие точки зрения составляют содержание так называемых эпистемологических интерпретаций квантовой механики. Такая концепция означает, что волновая функция - это только инструмент познания, но никак не то, что имеет отношение к объективной реальности.
Эксперимент
В своем эксперименте ученые измеряли квантовые состояния пары фотонов, каждый из которых мог находиться в одном из двух неортогональных одно к другому состояниях (например, когда одна частица имеет горизонтальную поляризацию, а другая не вертикальную, а, например, диагональную).
В случае, если волновая функция является частью объективной реальности, единичный эксперимент не должен определить состояние поляризации. Это можно будет сделать, только проведя дополнительные измерения. Ученые не смогли получить достаточно информации о поляризации фотонов после единичного измерения. Как отмечают физики, это может означать ошибочность большинства эпистемологических интерпретаций квантовой механики.
Ученые работали не в обычном гильбертовом пространстве, размерность которого равна двум, а в его трехмерных (для кутритов) и четырехмерных (куквадритов) обобщениях. Как теоретически показано в предыдущих работах физиков, эксперименты именно с неортогональными состояниями в пространствах с размерностями, большими двух, могут привести к нарушению специального неравенства, справедливого именно для эпистемологической интерпретации квантовой теории.
В ходе эксперимента физики определяли значение величины S, связанной с вероятностями нахождения частиц в квантовых состояниях. Если бы ее значение оказалось большим или равным единице, то верной можно было бы считать эпистемологическую интерпретацию. В своих опытах физики получали, что S всегда меньше единицы, следовательно, верна онтологическая интерпретация.
В установке ученых используется спонтанное параметрическое рассеяние света: создается пара сцепленных фотонов, которая в специальном кристалле, накачиваемом лазером с длиной волны в 410 нанометров, разделяется на единичные частицы, сумма импульсов и энергий которых равна таковым у исходных фотонов.
Затем частицы пропускаются через призму Глана-Тейлора, с помощью которой подготавливаются поляризации квантов. Выполнение измерения производится на обратном пути при помощи детектора единичных фотонов.
Изображение: Nature Physics
Значения S для четырехмерного гильбертова пространства, где n - число возможных квантовых состояний. На врезке - сравнение с результатами для трехмерного пространства (показано красным цветом).
Эксперимент показал, что статистически эпистемологическая интерпретация не выполняется. Тем не менее, ученые считают, что многомировая трактовка квантовой теории, предложенная Хью Эвереттом, все еще имеет смысл. Эта теория больше похожа на эпистемологическую интерпретацию, чем на онтологическую. Также не противоречит экспериментам ученых ретропричинная интерпретация, согласно которой будущее может влиять на прошлое.
«Если предположить, что понятие объективной реальности существует, наши результаты указывают на то, что волновая функция должна напрямую соответствовать этой реальности», - заключают авторы исследования.
Адекватных людей (
?) приглашаю подписаться.