Атомы в двух местах сразу: учёные впервые зафиксировали запутанность массивных частиц

Альберт Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии». Сам создатель теории относительности отказывался верить, что природа способна на подобное. Но десятилетие за десятилетием эксперименты доказывали: квантовая запутанность реальна. Правда, до сих пор её наблюдали только у фотонов — частиц света, не имеющих массы. Теперь исследователи Австралийского национального университета сделали следующий шаг. Они впервые показали, что атомы гелия, обладающие массой и подчиняющиеся гравитации, могут одновременно существовать в двух местах.

Квантовая механика в действии

То, что для обыденного сознания кажется невозможным, для квантового мира — норма. Частица может находиться в двух положениях одновременно, интерферировать сама с собой и оставаться связанной с другой частицей на расстоянии. Эти эффекты описываются уравнениями уже более ста лет. Но увидеть их воочию, особенно для массивных частиц, оказалось невероятно сложно.

Руководитель эксперимента доктор Шон Ходжман из Исследовательской школы физики Австралийского национального университета признаётся: «Нам странно думать, что Вселенная устроена именно так. Можно прочитать об этом в учебнике, но действительно странно осознавать, что частица может находиться в двух местах одновременно».

Почему атомы, а не фотоны

Фотоны — частицы света — не имеют массы. С ними работать проще, и именно на них десятилетиями демонстрировали квантовые эффекты. Но атомы гелия — совсем другое дело. У них есть масса, на них действует гравитация. Их поведение ближе к поведению знакомого нам макромира. И именно поэтому наблюдение квантовых эффектов у атомов — гораздо более значимый шаг.

«Экспериментально это чрезвычайно трудно продемонстрировать, — говорит ведущий автор исследования, аспирант Йогеш Шридхар. — Несколько человек пытались в прошлом показать эти эффекты, но им всегда чего-то не хватало».

Движение, которое не подчиняется логике

Исследователи наблюдали атомы гелия в состоянии квантовой запутанности, связанные не по положению в пространстве, а по движению. Это означает, что пара атомов ведёт себя как единая система, даже когда между ними нет физической связи. Их траектории, скорости, направления движения оказываются взаимозависимыми. Измеряя состояние одного атома, можно мгновенно узнать состояние другого, где бы он ни находился.

Этот эффект и вызывал у Эйнштейна такое неприятие. Он отказывался верить, что информация может передаваться быстрее скорости света или что частицы могут быть связаны на расстоянии без какого-либо физического посредника. Но природа, как показывают эксперименты, устроена именно так.

Мост между двумя физиками

У этого открытия есть глубокий фундаментальный смысл. Современная физика существует в двух разных вселенных. В одной — квантовая механика, описывающая мир малых масштабов, где частицы могут быть в двух местах одновременно. В другой — общая теория относительности, описывающая гравитацию и устройство Вселенной в космических масштабах. Две эти теории блестяще работают каждая в своей области, но не желают соединяться в единую картину.

Наблюдение квантовых эффектов у массивных частиц, на которые действует гравитация, открывает возможность для экспериментов на стыке этих двух миров. Как квантовая механика взаимодействует с гравитацией? Как ведёт себя пространство-время в условиях, когда материя одновременно находится в двух местах?

Ходжман подводит итог: «Этот результат подтверждает предсказания вековой давности о том, что материя может находиться в двух местах одновременно и может интерферировать сама с собой даже в этих местах».

Путь к Теории Всего

Открытие австралийских физиков — не просто ещё одно подтверждение квантовой механики. Это новый инструмент для исследования. Имея возможность создавать запутанные состояния у атомов, учёные могут задавать вопросы, которые раньше оставались только теоретическими. Как гравитация влияет на квантовую запутанность? Можно ли использовать массивные частицы для обнаружения гравитационных волн? И существует ли единая теория, объединяющая квантовый мир и мир космоса?

Пока ответов нет. Но теперь у физиков появился экспериментальный метод, чтобы их искать. Атомы гелия, существующие одновременно в двух местах, — это не просто курьёз природы. Это ключ к пониманию того, как устроена реальность на самом фундаментальном уровне. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, что подтверждает его значимость для мирового научного сообщества. Остаётся добавить: Эйнштейн, назвавший это «жуткое действие» плодом воображения, вероятно, был бы одновременно и разочарован, и восхищён тем, что спустя столетие его сомнения превратились в экспериментальный факт.