Новое исследование физиков из Университета Брауна заключило странность квантовой механики в ореховую скорлупу. Точнее, в гелиевый пузырь. Эксперименты под руководством Хамфри Мариса, профессора физики в Брауне, позволили предположить, что квантовое состояние электрона — волновую функцию электрона — можно разделить на кусочки, а эти кусочки, в свою очередь, поймать в ловушку из пузырьков жидкого гелия. Электроны представляют собой элементарные частицы, неделимые и неразбиваемые. Но то, что имеют в виду исследователи, кажется очень и очень странным.
В квантовой механике у частиц нет определенного положения в пространстве. Они существуют как волновая функция, распределение вероятностей, которые включают все возможные места расположения частицы. Марис и его коллеги предполагают, что части этого распределения можно разделить и отделить друг от друга.
«Мы поймали в ловушку шанс обнаружения электрона, не части самого электрона, — говорит Марис. — Это несколько похоже на лотерею. Когда лотерейные билеты проданы, каждый купивший билет получает лист бумаги. Все эти люди имеют определенные шансы, и можно сказать, что эти шансы распределяются в пространстве. Но есть только один приз — один электрон — и кому отойдет приз, будет определено позже».
Если интерпретация Мариса верна, она поднимает глубокие вопросы о процессе измерения в квантовой механике. В традиционной формулировке квантовой механики, когда измеряются характеристики частицы — то есть она будет обнаружена в определенной точке — волновая функция коллапсирует .
«Проведенные нами эксперименты указывают, что само взаимодействие электрона с большей физической системой вроде ванной с жидким гелием не является измерением, — говорит Марис. — Возникает вопрос: а что это тогда?».
Тот факт, что волновая функция может быть разбита на два или больше пузырьков, уже странный сам по себе. Если детектор обнаруживает электрон в одном пузырьке, что происходит с другим? Вопрос крайне интересен. Исследование было опубликовано в Journal of Low Temperature Physics.
Электронные пузыри
В течение многих лет ученые задавались вопросами о странном поведении электронов в жидком гелии, охлажденном почти до абсолютного нуля. Когда электрон попадает в жидкость, он отталкивает окружающие атомы гелия, образуя пузырь жидкости размером порядка 3,6 нанометров в поперечнике. Размер пузырька определяется давлением электрона относительно поверхностного натяжения гелия. Однако в экспериментах, которые начали проводиться еще в 60-х, возникали странности в движении пузырьков.
В экспериментах импульс электронов попадает в верхнюю часть заполненной гелием трубки, а детектор регистрирует электрический заряд, когда пузырьки с электронами достигают нижней части трубки. Поскольку у пузырьков есть четко определенный размер, они должны все испытывать определенное сопротивление по мере движения, а следовательно, и в детектор поступать одновременно. Но этого не происходит. Эксперименты выявили неопознанные объекты, которые попадают в детектор до обычных электронных пузырьков. С годами ученые выявили 14 разных объектов разных размеров, все из которых, похоже, движутся быстрее электронных пузырьков.
«Они были загадкой с самого момента их обнаружения. Ни у кого не было хорошего объяснения».
Под неизвестными объектами предполагались и примеси в гелии — заряженные частицы, которые свободно попадали сквозь стенки контейнера. Другое возможное объяснение — ионы гелия, атомы гелия, которые приобрели один или несколько лишних электронов, создающих отрицательный заряд в детекторе.
Однако Марис и его коллеги, включая лауреата Нобелевской премии и физика Леона Купера, полагали, что новая серия экспериментов сможет прояснить ситуацию.
Новые эксперименты
Исследователи провели серию экспериментов над мобильностью электронных пузырьков при гораздо большей чувствительности, чем было раньше. Им удалось обнаружить все 14 объектов с предыдущей работы плюс четыре дополнительных объекта, появлявшихся в течение разных экспериментов. В дополнение к этим 18 объектам, исследование также показало многочисленные дополнительные объекты, появляющиеся достаточно редко.
По-видимому, говорит Марис, есть не 18 объектов, а бесконечное их число с «непрерывным распределением размеров» вплоть до размера нормального электронного пузырька. Это, в свою очередь, поставило крест на идее о том, что это примеси или ионы гелия. Было бы трудно предположить, что может быть так много примесей либо ранее неизвестных ионов гелия.
Единственное, что, по мнению ученых, могло бы объяснить результаты эксперимента, это «деление» волновой функции. В определенных ситуациях волновая функция электрона разбивается на части перед тем, как войти в жидкость, и ее части улавливаются отдельными пузырьками. Поскольку пузырьки содержат меньше целой волновой функции, они и сами меньше нормальных электронных пузырьков и, следовательно, быстрее двигаются.
В своей новой работе Марис и его команда предложили механизм, посредством которого может происходить деление. Он поддерживается квантовой теорией и хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Механизм включает в себя понятие из квантовой механики, известное как надбарьерное отражение.
В случае с электронами и гелием работает оно примерно так: когда электрон ударяется о поверхность жидкого гелия, есть определенный шанс того, что он пересечет ее, и определенный шанс того, что он отскочит. В квантовой механике эти возможности выражаются как часть волновой функции, пересекающей барьер, и часть, от него отражающейся. Возможно, небольшие электронные пузырьки образуются в той части волновой функции, которая пересекает поверхность. Размер пузырька зависит от того, как много волновой функции проходит, и это могло бы объяснить непрерывное распределение небольших электронных пузырьков, обнаруженных в ходе эксперимента.
Идея того, что часть волновой функции отражается от барьера, стандартна для квантовой механики, говорит Купер. «Не думаю, что найдется хоть один несогласный с этим. Нестандартная часть заключается в том, что часть волновой функции, которая проходит сквозь, может иметь физическое влияние на размер пузырька. Это принципиально ново».
Кроме того, исследователи предполагают, что происходит после того, когда волновая функция попадает в жидкость. Это немного похоже на капли масла в воде. «Иногда капля образует один пузырек. Иногда два, иногда сотни».
В квантовой теории есть элементы, которые указывают на тенденцию волновой функции разбиваться на конкретные размеры. По расчетам Мариса, конкретные размеры соответствуют тем самым часто встречающимся 18 размерам электронных пузырей.
«Мы считаем, что это свидетельствует о лучшем объяснении экспериментов, — говорит Марис. — Эти данные были собраны еще 40 лет назад. Эксперименты не были ошибочны: их делали многие люди. У нас есть традиция использовать бритву Оккама, когда мы пытаемся придумать самое простое объяснение. Насколько я могу судить, это оно и есть».
Однако оно поднимает ряд интересных вопросов, которые находятся на границе науки и философии. Например, необходимо предположить, что гелий не производит измерений фактического положения электрона. Если бы он это делал, любой пузырь, в котором не был бы обнаружен электрон, просто бы исчез. В свою очередь, это указывает на одну из глубочайших загадок в квантовой теории.
«Никто не знает, что на самом деле представляет собой измерение. Возможно, физики смогут договориться, что кто-то в белом халате, сидящий в лаборатории известного университета, сможет провести измерение. Но как насчет того, кто на самом деле не уверен в том, что делает измерение? Необходимо ли наличие сознания при этом? Мы не знаем».
Можно ли разделить и поймать в ловушку волновую функцию электрона? Илья Хель