RW Space

Одним из самых удивительных предсказаний физики является запутанность — явление, при котором объекты могут находиться на некотором расстоянии друг от друга, но при этом оставаться связанными друг с другом. Наиболее известные примеры запутанности связаны с крошечными порциями света (фотонами) и низкими энергиями.

На Большом адроном коллайдере в Женеве, крупнейшем в мире ускорителе частиц, эксперимент под названием ATLAS только что обнаружил запутанность в пары топ-кварков: самые тяжелые частицы, известные науке.

Результаты описаны в новой статье моих коллег и меня из коллаборации ATLAS, опубликованной сегодня в Nature.

Что такое запутанность?

В повседневной жизни мы думаем об объектах как о «отдельных» или «связанных». Два шара, находящиеся на расстоянии километра друг от друга, разделены. Два шара, соединенные веревкой, соединены.

Когда два объекта «запутаны», между ними нет физической связи, но они и не являются по-настоящему отдельными. Вы можете измерить первый объект, и этого достаточно, чтобы знать, что делает второй объект, еще до того, как вы посмотрите на него.

Два объекта образуют единую систему, даже если ничего нет соединяя их вместе. Было показано, что это работает с фотонами на противоположных концах города.

Идея будет знакома поклонникам недавнего потокового сериала «Проблема тела 3», основанного на научно-фантастических романах Лю Цысиня.

>

В сериале инопланетяне отправили на Землю крошечный суперкомпьютер, чтобы испортить наши технологии и позволить им общаться с нами. Поскольку этот крошечный объект связан с близнецом на родной планете пришельцев, инопланетяне могут общаться с ним и контролировать его – даже несмотря на то, что он находится на расстоянии четырех световых лет.

Эта часть истории — научная фантастика: запутанность на самом деле не позволяет посылать сигналы быстрее света. (Кажется, запутанность должна позволять вам это делать, но согласно квантовой физике это невозможно. Пока что все наши эксперименты согласуются с этим предсказанием.)

Но сама запутанность реальна. Впервые это было продемонстрировано на фотонах в 1980-х годах, что на тот момент было передовым экспериментом.

Сегодня у коммерческого поставщика можно купить коробку, которая будет выплевывать запутанные пары фотонов. Запутанность — это одно из свойств, описанных квантовой физикой, и одно из свойств, которое ученые и инженеры пытаются использовать для создания новых технологий, таких как квантовые вычисления.

С 1980-х годов запутанность также рассматривалась видно на атомах, на некоторых субатомных частицах и даже на крошечных объектах, испытывающих очень, очень слабые вибрации. Все эти примеры относятся к низким энергиям.

Новая разработка из Женевы заключается в том, что запутанность наблюдалась в парах частиц, называемых топ-кварками, где огромное количество энергии находится в очень маленьком пространстве.

Так что же такое кварки?

Материя состоит из молекул; молекулы состоят из атомов; А атом состоит из легких частиц, называемых электронами, вращающихся вокруг тяжелого ядра в центре, как Солнце в центре Солнечной системы. Мы уже знали это из экспериментов примерно к 1911 году.

Затем мы узнали, что ядро ​​состоит из протонов и нейтронов, а к 1970-м годам мы обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. .

Всего существует шесть типов кварков: «верхние» и «нижние» кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а также четыре более тяжелых.

Пятый кварк, «Красивый» или «нижний» кварк примерно в четыре с половиной раза тяжелее протона, и когда мы его обнаружили, мы подумали, что он очень тяжелый. Но шестой и последний кварк, «верхний», — монстр: немного тяжелее атома вольфрама и в 184 раза больше массы протона.

Никто не знает, почему топ-кварк такой массивный. Именно по этой причине топ-кварк является объектом интенсивного изучения на Большом адронном коллайдере. (В Сиднее, где я живу, большая часть нашей работы по эксперименту ATLAS сосредоточена на топ-кварке.)

Мы думаем, что очень большая масса может быть ключом к разгадке. Возможно, топ-кварк такой массивный потому, что на него воздействуют новые силы, помимо тех четырех, о которых мы уже знаем. Или, может быть, это имеет какую-то другую связь с «новой физикой».

Мы знаем, что законы физики в том виде, в каком мы их сейчас понимаем, неполны. Изучение поведения топ-кварков может указать нам путь к чему-то новому.

Означает ли запутанность, что топ-кварки особенные?

Вероятно, нет. Квантовая физика утверждает, что запутанность является обычным явлением и что запутаться могут самые разные вещи.

Но запутанность также хрупка.

Многие эксперименты по квантовой физике проводятся при сверхнизких температурах, чтобы не «натыкаться» на систему и не нарушать ее. Итак, до сих пор запутанность была продемонстрирована в системах, где ученые могут создать правильные условия для проведения измерений.

По техническим причинам очень большая масса топ-кварка делает его хорошей лабораторией для изучения запутанность. (Новое измерение ATLAS было бы невозможно для остальных пяти типов кварков.)

Но пары топ-кварков не станут основой удобной новой технологии: вы не можете получить Большой Адронный коллайдер и носить его с собой.

Тем не менее, топ-кварки предоставляют новый вид инструмента для проведения экспериментов, а запутанность интересна сама по себе, поэтому мы продолжим искать, что еще мы обнаружим.

Брюс Ябсли, доцент кафедры физики, Сиднейский университет em>

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.