Фізики відкрили дивовижну квантову поведінку крихітних крапель, що стрибають

Квантова фізика фундаментально дивна, настільки, що нам потрібні уявні експерименти з захованими котами в коробках і метафори з монетами, що крутяться, щоб хоча б почати розуміти її закони.

Проте навіть у нашому класичному світі, де фізика більш інтуїтивна, відтінки квантової поведінки можна представити за допомогою відносно простих сценаріїв.

Дослідники, які експериментували з крихітними краплями олії, що стікають по двох сусідніх каналах у ванні з вібруючою рідиною, виявили, що поведінка крапель збігається з відомим квантовим уявним експериментом.

“Виявляється, що цей гідродинамічний експеримент з пілот-хвилею демонструє багато особливостей квантових систем, які раніше вважалися неможливими для розуміння з класичної точки зору”, – говорить Джон Буш, гідродинамік з Массачусетського технологічного інституту (MIT).

Буш і його колега, фізик МТІ Валерій Фрумкін, імітували бомбовий тестер Еліцура-Вайдмана – відомий приклад вимірювання без взаємодії – і змогли отримати деталі про квантовий стан одного об’єкта за допомогою ніжного дотику хвилі іншого об’єкта, не порушуючи делікатну природу жодного з них.

Цей підхід був застосований до технології низькоінтенсивної візуалізації, хоча, незважаючи на його використання, немає єдиної думки про те, що фізично означає “без взаємодії”.

В експерименті з тестером бомби фотон розщеплюється на два стани одночасно (суперпозиція). Ці два стани рухаються вниз по одному з двох каналів, і половину часу в одному з цих каналів знаходиться “бомба” – аналогія об’єкту, який може знищити суперпозицію, поглинаючи фотон і руйнуючи при цьому свій власний квантовий стан

Якщо фотон виходить із системи, то, швидше за все, він не зіткнувся з жодною бомбою. Магія квантової фізики полягає в тому, що стан розщепленого фотона, коли він рекомбінується в єдине ціле, також може сказати нам, чи була там бомба чи ні – навіть коли фотон пішов іншим каналом – без жодної “детонації” бомби.

Краплі олії діють так само, як квантові частинки. (МАССАЧУСЕТСЬКИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ)

Це не має сенсу з точки зору класичної фізики, але саме тому ми маємо квантову фізику. У базових термінах, бомба втручається у ймовірності, які суперпозиція створює для фотона. Це втручання можна виявити, коли в кінці вимірюється хвилеподібна природа фотона.

Тому дивно знайти такий самий результат у цьому дослідженні в класичній установці.

Краплі зайняли місце фотонів, а пульсації рідини, які вони створювали, діяли як суперпозиція ймовірностей – якщо ці пульсації, що розширюються, потрапляють на бомбу, це впливає на краплю, оскільки два канали знову зливаються, навіть якщо сама крапля зайняла інший канал.

Технічно цей експеримент має більше спільного з інтерпретацією квантових експериментів, яка називається теорією пілотної хвилі, де взаємодіючі хвилі, що несуть крихітні частинки прибою, керують характеристиками об’єкта.

Статистично класичний експеримент збігається з тестером бомб Еліцура-Вайдмана. Дослідники кажуть, що це показує міст між фіксованим, твердим світом класичної фізики та нечітким, менш визначеним квантовим світом.

Це допомагає нам краще зрозуміти, чому квантова поведінка, така як хвилі можливостей, здається, “розпадається” на дискретні стани.

“Тут ми маємо класичну систему, яка дає таку саму статистику, що й при випробуванні квантової бомби, яка вважається одним із чудес квантового світу”, – каже Буш.

“Насправді, ми виявили, що це явище не таке вже й дивовижне. І це ще один приклад квантової поведінки, який можна зрозуміти з локальної реалістичної перспективи”.