90-годишна загадка на квантовите "китарни струни" е разрешена

Ваня Милева Последна промяна на 19 август 2025 в 00:00 5226 0

затихващи гравитационни вълни

Кредит Wikimedia Commons
Измервания на LIGO на затихващи гравитационни вълни

Една издърпана струна на китара може да вибрира секунди, преди да утихне. Люлка на детска площадка, оставена сама, постепенно ще спре. Това са нещата, които физиците наричат "затихващи хармонични осцилатори" и са добре изучени от гледна точка на класическата физика на Нютон.

Но в малкия свят на атомите нещата се случват по странен начин и действат съгласно странните закони на квантовата физика.

Двама учени си задават въпроса дали в атомния свят има системи, които се държат като вибриращото движение на китарна струна в Нютоновата система. И се заемат да изградят квантова теория на затихващия хармоничен осцилатор.

В проучване, публикувано на 7 юли 2025 г. в списание Physical Review Research, професор Денис Клохърти (Dennis Clougherty) от Университета във Върмонт и неговият студент Нам Дин извършват точно това - движение тип китарна струна в мащаба на атомите. Те откриват точно решение на модел, който се държи като "затихващ квантов хармоничен осцилатор".

Оказва се, че в продължение на около 90 години теоретиците се опитват да опишат тези затихващи хармонични системи, използвайки квантова физика, но с ограничен успех.

"Трудността е свързана със запазването на принципа на неопределеността на Хайзенберг, основен принцип на квантовата физика", обяснява Клохърти, професор по физика в Университета във Върмонт от 1992 г.

За разлика от света в човешки мащаб, например на подскачащи топки или изстрелваните ракети, известният принцип на неопределеността на Хайзенберг показва, че съществува фундаментално ограничение на точността, с която позицията и импулсът на една частица могат да бъдат известни едновременно. В мащаба на атом, колкото по-точно се измерва едното свойство, толкова по-неточно е знанието за другото.

Моделът, изучаван от физиците от Университета във Върмонт, първоначално е конструиран от британския физик Хорас Ламб през 1900 г., преди да се роди Вернер Хайзенберг и много преди развитието на квантовата физика. Ламб се интересувал от описанието как вибрираща частица в твърдо тяло може да губи енергия.

Използвайки законите за движение на Нютон, Ламб показва, че еластичните вълни, създадени от движението на частицата, се връщат обратно към самата частица и я карат да затихва – тоест да вибрира с все по-малко енергия с течение на времето.

"В класическата физика е известно, че когато обектите вибрират (осцилират), те губят енергия поради триене, съпротивление на въздуха и т.н.", посочва Дин. "Но това не е толкова очевидно в квантовия режим."

Клохърти и Дин (който завършва Университета във Върмонт през 2024 г. с бакалавърска степен по физика, през 2025 г. с магистърска степен и сега следва докторат по математика в същия университет) преформулират модела на Ламб за квантовия свят и намират неговото решение.

"За да се запази принципът на неопределеността, е необходимо да се включи подробно взаимодействието на атома с всички останали атоми в твърдото тяло", обяснява Клохърти. "Това е така наречената задача за много частици."

Как решават тази задача?

Обяснението звучи сложно: "чрез многомодова трансформация на Боголюбов, която диагонализира Хамилтониана на системата и позволява определянето на нейните свойства", пишат авторите, давайки състояние, наречено "многомодов смачкан вакуум" (multimode squeezed vacuum).

Казано просто: изследователите са успели математически да преформулират системата на Ламб, така че осцилиращото поведение на атома да може да бъде напълно описано с точни термини.

Така те постигат прецизното локализиране на позицията на един атом, което може да се каже, което може да бдоведе до нови методи за измерване на квантови разстояния и други ултрапрецизни сензорни технологии.

Тези потенциални приложения произтичат от важно следствие от новата работа на учените: тя предсказва как неопределеността в позицията на атома се променя с взаимодействието с другите атоми в твърдото тяло.

"Чрез намаляване на тази неопределеност може да се измери позицията с точност под стандартната квантова граница", отбелязва Клохърти.

Във физиката има някои крайни граници, като скоростта на светлината и принципът на неопределеността на Хайзенберг, който пречи на перфектното измерване на частица. Но тази неопределеност може да бъде намалена отвъд нормалните граници чрез определени квантови трикове – в този случай, изчисляване на поведението на частицата в специално състояние на "смачкан вакуум", което намалява шума от квантовата случайност в една променлива (местоположение), като го увеличава в друга (импулс).

Този вид математическа маневра стои зад създаването на първите успешни детектори на гравитационни вълни, които могат да измерват промени в разстояние хиляда пъти по-малко от ядрото на атома – и за които през 2017 г. бе присъдена Нобелова награда.

Кой знае какво може да разкрие откритието на теоретиците от Върмонт за ново квантово решение на вековния модел на Ламб.

Справка: Dennis P. Clougherty et al, Quantum Lamb model, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/9fxx-2x6n

Източник: Physicists solve 90-year-old puzzle of quantum damped harmonic oscillators, Joshua Brown, University of Vermont

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !