Странное движение нейтронов доказывает, что природа фундаментально причудлива

В самых маленьких масштабах наш интуитивный взгляд на реальность больше не применим. Это похоже на то, как будто физика фундаментально нерешительна, и эту истину становится все труднее игнорировать, когда мы приближаемся к частицам, которые пикселизируют нашу Вселенную.

Чтобы лучше понять это, физикам пришлось разработать совершенно новую структуру чтобы поместить его, тот, который основан на вероятности, а не на уверенности. Это квантовая теория, и она описывает все виды явлений, от запутанности до суперпозиции.

Однако, несмотря на столетие экспериментов, показывающих, насколько полезна квантовая теория для объяснения того, что мы видим, ее трудно поколебать. наш «классический» взгляд на строительные блоки Вселенной как на надежные приспособления во времени и пространстве. Даже Эйнштейн был вынужден спросить своего коллегу-физика: «Вы действительно верите, что Луны не существует, когда вы на нее не смотрите?»

Многие физики на протяжении десятилетий задавались вопросом, существует ли какая-то физика мы используем для описания макроскопического опыта, также можно использовать для объяснения всей квантовой физики.

Теперь новое исследование также показало, что ответ — большое нет.

В частности, нейтроны пучок нейтронного интерферометра может существовать в двух местах одновременно, что невозможно в классической физике.

Тест основан на математическом утверждении, называемом неравенством Леггетта-Гарга, которое гласит: что система всегда определенно находится в том или ином из доступных ей состояний. По сути, кот Шредингера либо жив, либо мертв, и мы можем определить, в каком из этих состояний он находится, без влияния наших измерений на результат.

Макросистемы – те, которые мы можем надежно понять, используя классические системы. только физика – подчиняются неравенству Леггетта-Гарга. Но системы в квантовой сфере нарушают это правило. Кот одновременно жив и мертв — аналогия квантовой суперпозиции.

«Идея, лежащая в основе этого, аналогична более известному неравенству Белла, за которое в 2022 году была присуждена Нобелевская премия по физике», — говорит физик. Элизабет Кройцгрубер из Венского технологического университета.

«Однако неравенство Белла касается вопроса о том, насколько сильно поведение частицы связано с другой квантово запутанной частицей. Неравенство Леггетта-Гарга касается только одной одного объекта и задает вопрос: как его состояние в определенные моменты времени связано с состоянием того же объекта в другие конкретные моменты времени?»

Нейтронный интерферометр предполагает стрельбу пучком нейтронов по цель. Когда луч проходит через устройство, он разделяется на две части, причем каждый из зубцов луча движется по разным путям, пока они позже не воссоединятся.

Теорема Леггетта и Гарга утверждает, что измерение в простой двоичной системе может эффективно дать два результата. Измерьте его еще раз в будущем, результаты будут коррелировать, но только до определенного момента.

Для квантовых систем теорема Леггетта и Гарга больше не применима, что допускает корреляции выше этого порога. По сути, это дало бы исследователям возможность определить, нужна ли системе квантовая теорема для понимания.

«Однако не так-то легко исследовать этот вопрос экспериментально», — говорит физик Рихард Вагнер из Венского университета. Технологический университет. «Если мы хотим проверить макроскопический реализм, то нам нужен объект, который является макроскопическим в определенном смысле, т.е. имеет размер, сравнимый с размером наших обычных повседневных объектов».

Чтобы добиться этого , пространство между двумя частями нейтронного пучка в интерферометре находится в масштабе, скорее макро, чем квантовом.

«Квантовая теория утверждает, что каждый отдельный нейтрон движется по обоим путям одновременно», — говорит физик Нильс Геритс из Венского технологического университета. «Однако два частичных пучка находятся на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга. В каком-то смысле мы имеем дело с квантовым объектом, огромным по квантовым стандартам».

Используя несколько различных методов измерения, исследователи исследовали нейтронные пучки. в разное время. И, конечно же, измерения были слишком тесно коррелированы, чтобы могли действовать классические правила макрореальности. Нейтроны, как показали их измерения, на самом деле двигались одновременно по двум разным путям, разделенным расстоянием в несколько сантиметров.

Это лишь последний из длинной череды экспериментов Леггетта-Гарга, которые показывают, что нам действительно нужно квантовая теория, чтобы описать Вселенную, в которой мы живем.

«Наш эксперимент показывает: природа действительно настолько странна, как утверждает квантовая теория», — говорит физик Стефан Спонар из Венского технологического университета. «Независимо от того, какую классическую, макроскопически реалистичную теорию вы придумаете: она никогда не сможет объяснить реальность. Она не работает без квантовой физики».

Исследование опубликовано в журнале Physical Обзорные письма.