Странное движение нейтронов доказывает, что природа фундаментально странна: ScienceAlert

В мельчайших масштабах наш интуитивный взгляд на реальность больше не применим. Это похоже на то, что физика фундаментально неубедительна, и этот факт становится все труднее игнорировать, чем ближе мы подходим к частицам, которые делят нашу вселенную на пиксели.

Чтобы лучше это понять, физикам пришлось проявить творческий подход. Совершенно новая структура Квантовая теория — это теория, основанная на вероятности, а не на уверенности. Это квантовая теория, и она описывает все виды явлений, от запутанности до суперпозиции.

Но, несмотря на столетие экспериментов, которые показали, насколько полезна квантовая теория для объяснения того, что мы видим, трудно избавиться от нашей «классической» точки зрения, что строительные блоки Вселенной являются надежными компонентами времени и пространства. Даже тогда мы не можем себе представить, что квантовая теория полезна для объяснения того, что мы видим. Эйнштейн был вынужден Спросить коллегу-физика: «Вы действительно думаете, что Луны не существует, когда вы на нее не смотрите?»

Многие физики на протяжении десятилетий задавались вопросом, существует ли какой-то способ, с помощью которого физика, которую мы используем для описания макроскопических экспериментов, можно использовать для объяснения всей квантовой физики.

Новое исследование также показало, что ответ – большое «нет».

В частности, нейтроны испускаются в пучок при Нейтронный интерферометр Он может существовать в двух местах одновременно, что невозможно в классической физике.

Тест основан на математическом утверждении, называемом Неравенство в теореме Леггетта-Гарга, который утверждает, что система всегда находится в одном из двух доступных ей состояний. По сути, кот Шредингера либо жив, либо мертв, и мы можем определить, в каком состоянии он находится, без влияния наших измерений на результат.

Большие системы – те, которые мы можем надежно понять, используя только классическую физику – подчиняются неравенству Леггетта-Гарга. Но системы в квантовом мире нарушают это правило. Кот одновременно жив и мертв, что является аналогией квантовой суперпозиции.

«Идея, стоящая за этим, похожа на более известную Неравенство Белла«, за что в 2022 году была присуждена Нобелевская премия по физике», говорит физик Элизабет Кройцгрубер Из Венского технологического университета.

«Однако неравенство Белла касается вопроса о том, насколько сильно поведение частицы связано с другой квантово запутанной частицей. Неравенство Леггетта-Гарга касается только одного объекта и задает вопрос: как его состояние в определенные моменты времени связано с состояние того же объекта в другие конкретные моменты времени?»

Нейтронная интерферометрия предполагает стрельбу пучком нейтронов по мишени. По мере прохождения пакета через устройство он разделяется на две части, причем каждый конец пакета проходит отдельные пути для последующей повторной сборки.

Теорема Леггетта и Гарга утверждает, что измерение простой двоичной системы на самом деле может дать два результата. Если вы измерите его еще раз в будущем, эти результаты будут коррелировать, но только до определенного момента.

Для квантовых систем теорема Леггетта и Гарга больше не применяется, допуская корреляции выше этого порога. Фактически, это дало бы исследователям возможность определить, нужна ли системе квантовая теория для ее понимания.

«Однако экспериментально исследовать этот вопрос непросто», — сказал он. говорит физик Рихард Вагнер Из Венского технологического университета. «Если мы хотим проверить макроскопический реализм, нам нужен объект, который является макроскопическим в определенном смысле, то есть его размер аналогичен размеру наших обычных повседневных предметов».

Чтобы добиться этого, расстояние между двумя частями нейтронного пучка в интерферометре находится в масштабе, превышающем квантовый.

«Квантовая теория утверждает, что каждый нейтрон движется по обоим путям одновременно». Говорит физик Нильс Герритс Из Венского технологического университета. «Однако два частичных луча находятся на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга. В каком-то смысле мы имеем дело с квантовым объектом, который массивен по квантовым стандартам».

Используя несколько различных методов измерения, исследователи исследовали нейтронные пучки в разное время. Действительно, измерения были слишком тесно взаимосвязаны, чтобы можно было применить классические правила к реальности в целом. Их измерения показывают, что нейтроны на самом деле двигались одновременно по двум разным путям, находящимся на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга.

Это просто последняя версия Длинная серия экспериментов Лиггетта-Гарга. Это показывает, что нам действительно нужна квантовая теория, чтобы описать Вселенную, в которой мы живем.

«Наш эксперимент показывает, что природа действительно так странна, как утверждает квантовая теория». говорит физик Штефан Спонар Из Венского технологического университета. «Какую бы реалистичную классическую теорию вы ни придумали: она никогда не сможет объяснить реальность. Она не работает без квантовой физики».

Исследование было опубликовано в Письма с обзором материалов.