Нова версия на странен експеримент, при който свойствата на частица се отделят от нейното тяло или маса, наречен квантов Чеширски котарак, кара физиците да спорят дали тези безтелесни свойства са точно това, което изглеждат, и как функционира реалността в квантовия свят.

Квантовият Чеширски котарак е парадоксално явление в квантовата механика, чиято същност е, че една квантова система при определени условия може да се държи така, сякаш частиците и техните свойства са разделени в пространството. С други думи, един обект може да бъде отделен от неговите собствени свойства.

Сега екип на Университета Чапман в Калифорния представя обобщение на този ефект с масивна частица, чиято маса се измерва на едно място без импулс, а импулсът се измерва като намиращ се на друго място без маса. Новият резултат се прилага за всяка масивна частица, независимо от нейния спин или заряд.

За първи път през 2014 г., физици експериментално демонстрират този странен ефект - сравняван с Чеширския котарак от "Приключенията на Алиса в страната на чудесата" на Луис Карол, който може да изчезне, оставяйки само усмивката си. Те получават контраинтуитивният резултат, че при измерване на неутрона той е на едно място без своя спин, а когато спинът му се измерва, е на друго място и го няма неутронът.

За да направят това, те принуждават неутронът да избере един от двата пътя покрай инструмент, наречен интерферометър, като измерват свойствата му в определени точки по всяка траектория. Следващите измервания се записват, след като траекториите отново се слеят.

Тези измервания не са били направени по стандартния начин, който се използва в повечето квантови експерименти, при които частицата претърпява колапс и от облака от възможни стойности за всяко от свойствата си, като позиция или импулс, остава една-единствена стойност. 

Вместо това изследователите извършват т.нар. слаби измервания, които много слабо измерват частица, без тя да колапсира.

Слабите измервания са вид квантово механично измерване, при което измерваната система е слабо свързана с измервателния уред. След слабо измерване стрелката на измервателния уред се измества с така наречената "слаба стойност". В резултат на слабо измерване системата се оказва не много променена.

Концептуална схема. Котката (състояние на суперпозиция вълна-частица) влиза в интерферометъра. Чрез извличане на слаби стойности е изненадващо да се установи, че котката (атрибут на вълна) и нейната усмивка (атрибут на частица) са разделени пространствено.  Кредит: Jia-Kun Li et al. / Light: Science & Applications, 2023

Ообобщение:  частицата се отделя от нейния импулс

Едно-единствено слабо измерване не е достатъчно, за да се научи нещо за частицата или за нейните свойства, но чрез многократно повтаряне на експеримента и измерванията, а също и чрез измерване, след като интерферометричните траектории отново са се слели, теоретично може да се получи информация за това какво е правила частицата чрез статистически изчисления.

Именно с този метод учените за първи път измерват спина на неутрон от едната страна на интерферометър, докато масата на частицата се измерва от другата страна. Но през десетилетието след провеждането на този експеримент се развихрят спорове за това какво всъщност измерват слабите измервания и как могат да бъдат използвани.

Междувременно физиците разработват по-сложни форми на експеримента, които не разчитат на специфични системи като спина на неутрона.

Сега Мордекай Уейгъл (Mordecai Waegell), Джеф Толаксен (Jeff Tollaksen) и Якир Ахаронов (Yakir Aharonov), всички от Университета Чапман в Калифорния, предлагат по-обща версия на експеримента " Чеширски котарак", при която масата на частицата се отделя от нейния импулс.

Експериментът би бил труден за изпълнение, но би трябвало да е възможен за почти всяка частица, стига тя да има маса, обяснява Уейгъл. Той казва, че за целта се използва оборудване, подобно на това, което се използва широко в други експерименти, като основната разлика е в начина, по който се открива масата на частицата, което включва  изключително чувствителен гравитационен сензор.

Експериментът, който илюстрира този ефект, е представен с помощта на вложена двойка интерферометри на Мах-Цендер (Mach-Zehnder), но с някои от огледалата и разделителите на лъчи, движещи се спрямо лабораторната рамка. 

"Изглежда, че сме отделили масата от импулса на частицата", отбелязва Уейгъл. "Мисля, че все още може да се обсъжда как да се интерпретира това, което се случва всъщност, за всеки отделен случай. Но въпреки това ефектът е интересен."

Уейгъл е "относително агностичен" по отношение на това как да се тълкува такъв неинтуитивен резултат като отделянето на частица от нейния импулс. Но Ахаронов, който е бил част от екипа, който първоначално е измислил квантовата версия на Чеширската котка, има по-необичайна теория, която той нарича "теория на контрачастицата".

Анихилация на частиците

Вместо само една частица да се движи по една от траекториите, Ахаронов предполага, че двойка (контра)частици, едната противоположна на другата във всяко отношение, може да бъде изведена от квантовия вакуум, за да се движи по траекториите, подобно на виртуалните частици, които са разрешени от законите на квантовата механика и се използват за обяснение на широк спектър от квантови явления.

Тези частици анихилират в едно от ръкавите, като се анулират взаимно и дават показания за липса на маса, но тъй като изминават различни разстояния с различни скорости, остава известен импулс, който може да бъде измерен.

Това би било едно от възможните обяснения за тези контраинтуитивни резултати, посочва Джонте Ханке (Jonte Hance) от Университета в Хирошима, Япония, но е възможно слабите стойности, получени от тези експерименти, да бъдат интерпретирани и по други начини.

Ханке и колегите му са описали оригиналния квантов експеримент с Чеширската котка, използвайки нещо, наречено квантова контекстуалност, което е хипотеза, която твърди, че редът и контекстът на това, което се измерва в квантова система, са от значение. "Измерванията, които извършвате във всеки от тези случаи, са един вид несъвместими, което позволява да се получат тези парадоксални резултати", обяснява Ханке.

"Само изглежда, че са разделени, защото се измерва едно от свойствата на едното място и се измерва друго свойство на другото място, но това не означава, че свойствата са на едното и на другото място, това означава, че самото измерване им влияе по такъв начин, че изглежда, че са на едното и на другото място", казва Ханке.

Независимо от това какво може да стои зад квантовия ефект на Чеширския котарак, проверката на версията на експеримента с масата и импулса може да ни помогне да научим как гравитацията влияе на квантовата механика, защото това е проверим експеримент, който включва и двете концепции, добавя Ханке.

Справка: arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2401.10408

Източник: Quantum Cheshire Cat effect may separate a particle from its momentum, New Scientist

Още по темата

11/01/2024

Космос

Изследователи демонстрират, че квантовото вплитане и топологията са неразривно свързани

11/12/2023

Физика

Първото в света квантово вплитане на единични молекули

01/07/2022

Физика

Експеримент показа, че неутронът не прескача в „огледалния свят“. Аномалията на неутронния живот остава неразрешена

16/11/2021

Космос

Разбирането на ранната Вселена зависи от оценката на продължителността на живота на неутроните