От квантового к классическому?
Принцип суперпозиции является отличительной чертой квантовой теории, которая вытекает из одного из самых фундаментальных уравнений квантовой механики, уравнения Шредингера. Он описывает частицы в рамках волновых функций, которые, как и волны воды на поверхности пруда, могут проявлять интерференционные эффекты. Но в отличие от волн на воде, которые представляют собой коллективное поведение многих взаимодействующих молекул воды, квантовые волны также могут быть связаны с изолированными одиночными частицами.
Возможно, наиболее элегантным примером волновой природы частиц является эксперимент с двумя щелями, в котором волновая функция частицы одновременно проходит через две щели и мешает. Этот эффект был продемонстрирован для фотонов, электронов, нейтронов, атомов и даже молекул, и это поднимает вопрос, над которым физики и философы боролись с самых первых дней квантовой механики: как эти странные квантовые эффекты переходят в классический мир, с которым мы все знакомы
Экспериментальный подход
Эксперименты Маркуса Арндта и его команды из Венского университета подходят к этому вопросу самым прямым способом, то есть демонстрируют квантовую интерференцию со все более массивными объектами. Молекулы в недавних экспериментах имеют массу более 25000 атомных единиц массы, что в несколько раз больше, чем предыдущий рекорд.
Одна из самых больших молекул, проходящих через интерферометр, C707H260F908N16S53Zn4, состоит из более чем 40000 протонов, нейтронов и электронов с длиной волны де Бройля, которая в тысячу раз меньше диаметра даже одного атома водорода. Марсель Майор и его команда из Базельского университета использовали специальные методы для синтеза таких массивных молекул, которые были достаточно стабильными, чтобы сформировать молекулярный пучок в сверхвысоком вакууме. Для доказательства квантовой природы этих частиц также потребовался интерферометр материальных волн с двухметровой базой, специально построенный в Вене.
Альтернативные квантовые модели и макроскопичность
Один класс моделей, нацеленных на согласование очевидного перехода от квантового режима к классическому, предсказывает, что волновая функция частицы спонтанно коллапсирует со скоростью, пропорциональной квадрату ее массы.
Экспериментально показывая, что суперпозиция для тяжелой частицы сохраняется в течение заданного промежутка времени, таким образом, напрямую устанавливает границы того, как часто и насколько локализованным может происходить такой процесс коллапса. В этих экспериментах молекулы оставались в суперпозиции более 7 мс, достаточно долго, чтобы установить новые интерферометрические границы для альтернативных квантовых моделей.
Обобщенная мера, называемая макроскопичностью, используется для классификации того, насколько хорошо альтернативные модели исключаются такими экспериментами, а эксперименты Fein et al. опубликованные в Nature Physics, действительно представляют собой увеличение макроскопичности на порядок. «Наши эксперименты показывают, что квантовая механика, при всей ее странности, также удивительно надежна, и я оптимистично настроен, что будущие эксперименты проверит ее в еще более широком масштабе», – говорит Фейн.
Граница между квантовой и классической все время размывается.