Американские ученые выяснили, как можно предвидеть «непредсказуемые» квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их вспять. Подобным образом можно «спасти» знаменитого кота Шредингера от мучительной смерти, пишут ученые в журнале Nature.
«Квантовые переходы в атомах в чем-то похожи на извержения вулканов. Их нельзя предсказать в долгосрочном плане, однако, если правильно следить за подобным объектом, то мы можем получить достаточно точное предупреждение о грядущей катастрофе и начать действовать еще до того, как она произойдет», — рассказывает Златко Минев из Йельского университета (США).
Кот Шредингера — «участник» мысленного эксперимента, который был предложен австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году для демонстрации абсурдности квантовой механики. В его ходе в закрытый ящик помещается кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома. Это может произойти в любой момент времени, однако точный момент распада не известен.
В соответствии с принципами квантовой физики, кот одновременно и жив, и мертв. Отсюда берет свое начало термин «квантовая суперпозиция» – совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот или другой объект квантового мира. Сегодня физики активно пытаются создать такую кошку Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом.
В реальности осуществить подобный эксперимент не так-то просто, если даже это в принципе возможно, так как на работу «ящика Шредингера» будет влиять его «классическая» часть, гравитационное замедление времени и целый ряд других факторов.
Отсутствие инструментов, позволяющих «увидеть» кота Шредингера, заставляет ученых активно спорить о том, где находится граница между квантовой и ньютоновско-эйнштейновской физикой, существует ли она вообще и влияет ли первая на поведение окружающих нас объектов.
Минев и его коллеги заинтересовались не самим четвероногим добровольцем или его коробкой, а более фундаментальной частью этого мысленного эксперимента – тем, как «суперпозиция» живого и мертвого кота совершает так называемый квантовый переход и становится одним из двух «классических» состояний.
Дело в том, что до недавнего времени ученые не знали, как именно происходит этот процесс. Многие физики, такие как Нильс Бор, считали, что квантовые переходы в принципе нельзя предсказать и что они происходят фактически мгновенно.
Грубо говоря, если один из электронов атома получает дополнительную порцию энергии и «перепрыгивает» на более высокую позицию, он фактически «телепортируется» с одного уровня на другой, не двигаясь через пространство. Другие теоретики, в том числе сам Шредингер и Альберт Эйнштейн, не соглашались с этим и считали, что их можно детерминистически просчитать и увидеть.
Только в 1980 годах ученые смогли впервые проследить за реальными переходами внутри атомов и подтвердить, что Бор и его сподвижники были ближе к истине, чем сторонники альтернативных концепций. Это, как отмечает Минев, однако не закрыло вопроса о том, как именно происходят подобные «квантовые прыжки», можно ли их предсказать и манипулировать ими.
Йельские физики и их коллеги из Франции и Новой Зеландии получили ответы на все эти вопросы и одновременно поставили под сомнение теорию Бора, экспериментируя с котами Шредингера, построенными на базе сверхпроводящих кубитов. Они представляют собой искусственные аналоги атома или другие квантовые конструкции, способные хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.
Эти «синтетические» атомы, собранные из особых сверхпроводниковых структур, были устроены таким образом, что они могли находиться в двух возбужденных состояниях, одно из которых, «светлое», ученые могли увидеть, а второе оставалось скрытым от наблюдателей.
Кубиты накачивались таким образом, что атом постоянно переходил в «темное» состояние и затем возвращался в изначальную позицию. Одновременно с этим, ученые дополнительно манипулировали их работой таким образом, что в кубитах возникали аналогичные переходы между «светлым» и основным состоянием.
Наблюдая за работой этой системы, ученые натолкнулись на необычный феномен – перед тем, как атом готовился перейти в «темное» состояние, частота вспышек света, вырабатываемых атомом в «светлом» состоянии, резко снижалась. Подобные «затмения» были очень короткими – их длина составляла всего 45 микросекунд, однако этого времени вполне хватит, чтобы поменять программу «накачки» атома и предотвратить переход электрона в новое состояние.
Это, как показали дальнейшие опыты, можно сделать не просто до начала квантового перехода, а во время него. Подобный результат эксперимента, как считает Минев, говорит о том, что, по крайней мере, часть теории Бора не верна – на самом деле, квантовые переходы не мгновенны и их можно предсказать в краткосрочной перспективе.
Иными словами, жизнь кота Шредингера не обязательно должна всецело зависеть от случая – при определенной сноровке и обстоятельствах, его можно спасти, заключают ученые.
Оригинал earth-chronicles.ru
