ФИЗИКАМ УДАЛОСЬ ОБОЙТИ ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Квантовая механика накладывает ограничение на то, что мы можем знать о субатомных частицах. Если физики измеряют положение частицы, они не могут измерить ее импульс, так гласит теория. Однако в ходе нового эксперимента, как сообщает ScientificAmerican, удалось это правило обойти - так называемый принцип неопределенности - узнав о положении частицы совсем немного, и тем самым сохранив возможность измерения импульса.

Принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1927 году, показывает настоящие чудеса природы на микроскопических масштабах. Квантовая механика показала, что частицы - не просто крошечные шарики, действующие подобно обычным объектам, которые мы можем увидеть и потрогать. Элементарные частицы существуют в тумане вероятностей, вместо того чтобы находиться в определенном месте в определенное время. Их шансы нахождения в любом определенном состоянии описывают уравнением квантовой волновой функции. Любое измерение частицы заставляет волновую функцию «коллапсировать», выбирать определенное значение.

Не так давно физики решили посмотреть, могут ли они преодолеть это ограничение, используя новую инженерную технику под названием compressive sensing - методику получения и восстановления сигнала на основе знаний о его предыдущих значениях, которые разреженны или сжаты. Этот инструмент давно применяется для эффективных расчетов в сфере цифровой фотографии, МРТ-сканирования и других технологий. Как правило, измерительные приборы проводят подробное чтение, а затем сжимают данные для удобства использования. К примеру, камеры делают крупные снимки в формате RAW, а затем преобразуют их в более сжатый формат JPEG. В компрессивном зондировании, однако, инженеры стремятся сжать сигнал во время измерения, что позволяет им делать меньше измерений - будто делая фотографии в формате JPEG, а не RAW.

Этот же метод получения минимальной информации, необходимой для измерения, был предложен как способ обойти принцип неопределенности. Чтобы проверить работу compressive sensing в квантовом мире, физик Джон Хоуэлл и его команда из Университета Рочестера измерила координаты и импульс фотона - частицы света. Они пустили лазер через коробку, наполненную рядом зеркал, которые могли быть направлены как на детектор, так и от него. Эти зеркала образовали фильтр, позволивший фотонам проникнуть в одни места и остаться заблокированными в других. Если фотон оказывался в детекторе, физики знали, что он был в одном из мест, где зеркала открывали свободный путь. Такой фильтр предоставил ученым возможность измерить положение частицы без фактического знания о нем, не давая волновой функции коллапсировать.

«Все, что мы знали, - это смог фотон пройти по этому пути или же нет, - говорит Грегори Хоуланд, автор работы на эту тему, опубликованной в начале лета в журнале Physical Review Letters. - Получается, вследствие этого мы все еще могли измерить импульс фотона. Правда, в ходе такого измерения мы получили немного помех. Но менее точное измерение импульса все же лучше, чем никакое».

Физики подчеркивают, что законов физики они не нарушали.

«Мы не нарушали принцип неопределенности, - говорит Хоуланд. - Мы просто его разумно использовали».

Эта техника может дать мощный толчок развитию таких технологий, как квантовая криптография и квантовые компьютеры, которые стремятся использовать квантовые свойства частиц в качестве полезных применений. Чем больше информации можно получить в ходе квантовых измерений, тем лучше такие технологии будут работать. Эксперимент Хоуланда может привести к появлению более эффективных квантовых измерений, чем было возможно до этого. Говоря простыми словами, физики нашли способ получить больше данных, проводя меньше измерений.

Комментарии: