Принцип суперпозиции — отличительный признак квантовой теории, возникший из самых фундаментальных уравнений квантовой механики, уравнений Шредингера. Он описывает частицы в системе волновых функций, которые, наподобие волн на поверхности пруда, способны проявлять эффекты интерференции. Но, в отличие от волн на воде, то есть коллективного поведения множества молекул, квантовые волны также могут быть проявлением отдельных изолированных частиц.
Возможно, самый элегантный пример волновой природы частиц — это эксперимент с двойной щелью, в котором волновая функция частицы одновременно проходит через два отверстия и интерферирует. Этот эффект ученые уже демонстрировали на примере фотонов, электронов, нейтронов, атомов и даже молекул.
Он поднимает вопрос, на который физики и философы не могут ответить с момента появления квантовой механики: как эти странные квантовые эффекты затрагивают знакомый нам всем классический мир?
Эксперимент группы физиков под руководством Маркуса Арндта из Венского университета пытается дать наиболее прямой ответ на этот вопрос. Его команда показывает квантовую интерференцию на примере массивных объектов. Для этого они использовали рекордно тяжелые молекулы с массой более 25 000 атомных единиц. Одна из самых крупных молекул, которую послали сквозь интерферометр — C707H260F908N16S53Zn4 — состоит из более чем 40 000 протонов, нейтронов и электронов, пишет EurekAlert.
Ученые синтезировали эти молекулы так, чтобы они сохраняли стабильность и формировали молекулярный луч в сверхвысоком вакууме. Для доказательства квантовой природы этих частиц потребовалось построить специальный интерферометр.
Один класс моделей, способный примирить квантовый и классический режимы, предсказывает, что волновая функция частицы спонтанно разрушается со скоростью, пропорциональной квадрату ее массы. В данном случае, молекулы оставались в суперпозиции более 7 мс — достаточно долго, чтобы можно было говорить об определении новых интерферометрических границ.
«Наш эксперимент показывает, что квантовая механика, со всей ее странностью, также поразительно надежна, и я убежден, что будущие эксперименты смогут проверить ее на еще более массивных объектах», — заявил Яков Файн, один из участников исследования.
По его словам, граница между квантовым и классическим мирами становится все менее четкой.
Пока физики не решат проблему измерений в квантовой механике, понять устройство Вселенной будет невозможно, считает американский физик-теоретик Шон Кэррол. Ученые уже умеют уверенно использовать квантовую механику, но она до сих пор остается для них черным ящиком. Более того, большинство даже не заинтересовано в том, чтобы понять, как она работает.
