В квантовой физике существует понятие квантовой запутанности, согласно которому квантовые состояния двух (или более) частиц могут быть взаимосвязаны, даже несмотря на колоссальное расстояние, которое может их разделять. Подтвердить эту гипотезу учёным должны помочь два ядра древних галактик – два квазара.
Если квантовая запутанность действительно существует, то это значит, что пара запутанных частиц может быть разнесена на расстояние даже миллиардов световых лет друг от друга, и всё равно изменение свойств одной из них повлияет на свойства другой. Альберт Эйнштейн назвал эту странную зависимость «жутким дальнодействием». В прошлом году физики из Массачусетского технологического института (MIT), университета Вены и других научных центров нашли веские доказательства того, что квантовая запутанность реальна. А сейчас эта же команда учёных располагает ещё более весомыми свидетельствами в её пользу.
Необходимо показать, что измеряемые взаимодействия между частицами невозможно объяснить с точки зрения классической физики. Еще в 1960-е годы физик Джон Белл рассчитал теоретический предел, за которым взаимодействия частиц должны объясняться уже квантовой, а не классической физикой.
Однако в этом теоретическом пределе есть пара «лазеек»: взаимодействие частиц может иметь и скрытое «классическое» объяснение. Так, есть «лазейка» «свободы выбора»: неизвестный фактор классической физики может оказывать влияние на измерение состояния «запутанной» частицы. В этом случае мы наблюдаем квантовую корреляцию там, где её нет.
В прошлом году группа учёных, используя данные исследования звёздного света возрастом 600 лет, получила свидетельства в пользу того, что если объяснять взаимодействие фотонов в рамках классической физики, то «классической» причине должно быть более 600 лет – она должна была появиться ещё до того, как свет звезды был излучен.
Теперь команда учёных обратилась к далёким древним квазарам – ярким ядрам галактик, мощным источникам излучения – пытаясь понять, может ли взаимодействие частиц объясняться положениями классической механики. Другими словами, теперь ведётся поиск новых свидетельств существования квантовой запутанности в более крупных масштабах.
Были выбраны два квазара, свет от которых был испущен 7,8 и 12,2 млрд лет назад. Исследователи использовали свет от этих квазаров, чтобы определить угол, на который нужно наклонить поляризатор, измеряющий ориентацию электрического поля каждого фотона.
При помощи телескопов была измерена длина волны «запутанных» фотонов (частиц света) в потоке светового излучения, идущего от квазаров. Если свет был более красным, чем опорная длина волны – измерение, используемое для сравнения, которое берется на другой длине волны, отличной от изучаемой, – поляризатор наклонялся под одним углом для измерения входящего фотона. Если свет был ближе к голубой части спектра, чем опорная длина волны, поляризатор отклонялся на другой угол для измерения.
В прошлогоднем эксперименте учёные использовали небольшие телескопы, которые позволили им измерить свет от звезд на расстоянии в 600 световых лет от нас. В этом же году они перешли на более крупные и мощные телескопы, что позволило уловить свет от гораздо более старых и далёких объектов – квазаров.
Изучая «запутанные» фотоны при помощи древних квазаров, команда обнаружила взаимодействия примерно 30 000 пар фотонов. Эти взаимодействия выходят далеко за рамки предела Белла. Это значит, что если искать классическую причину взаимодействующих частиц, то она должна быть старше самих квазаров, которым не один миллиард лет.
«Если что-либо симулирует процессы квантовой механики при помощи классического механизма, то этот классический механизм должен был бы еще 7,8 миллиардов лет назад точно предвидеть, когда, где и как данный эксперимент будет проводиться, – говорит Алан Гут, физик из MIT, соавтор данного исследования. – это представляется совершенно неправдоподобным, так что у нас имеется очень серьёзное свидетельство того, что квантовая механика – правильное объяснение [этому феномену]».
Таким образом, новые данные убедительно говорят о том, что измеренные взаимодействия между частицами имеют неклассическую природу. Именно квантовая механика должна стоять за этим феноменом, реальность которого никак нельзя отрицать.
«Возраст Земли – около 4,5 миллиардов лет. Любой альтернативный механизм – то есть не имеющий объяснения в рамках квантовой механики – который мог бы использовать данную «лазейку», должен был бы сработать задолго до появления самой нашей планеты, не то, что нашего института, – добавляет другой физик из MIT и соавтор работы, Дэвид Кайзер (David Kaiser). – Поэтому мы отказались от любых альтернативных объяснений этого феномена, которые можно было бы искать в раннюю эпоху Вселенной».
Источник: livescience.com
Перевод: Dmitry Blackfield