Квантовая и классическая физика: от микроскопического к макроскопическому мируСвязь между микроскопическим миром квантовой физики и нашим повседневным опытом, связанным с гораздо более крупными объектами, все еще остается загадкой. Когда квантовая система измеряется, она неизбежно нарушается, и некоторые из ее квантовых свойств теряются.Например, можно приготовить облако атомов на таком расстоянии, чтобы каждый атом одновременно располагался в двух разных местах, образуя идеальную квантовую суперпозицию.
Однако, как только местоположение атомов измеряется, эта суперпозиция разрушается. Все, что осталось, — это атомы, сидящие в четко определенных местах. Они ведут себя так же, как классические объекты.В этом случае переход от квантового поведения к классическому инициируется измерением — контактом с внешним миром.
Но что произойдет, если на квантовую систему вообще не будет воздействовать извне? Могут ли еще появиться классические свойства?
Беспорядок в квантовом мире«Мы изучаем облака, состоящие из нескольких тысяч атомов», — объясняет Тим Ланген, ведущий автор исследования исследовательской группы профессора Йорга Шмидмайера из Венского технологического университета. «Такое облако достаточно мало, чтобы эффективно изолировать его от остального мира, но достаточно велико, чтобы изучить, как теряются квантовые свойства».В эксперименте атомные облака разделяются на две половины.
Через некоторое время две половинки сравниваются друг с другом. Таким образом, ученые могут измерить количество квантово-механической связи между облаками. Изначально эта связь идеальна; все атомы находятся в высокоупорядоченном квантовом состоянии.
Но поскольку облако представляет собой большой объект, состоящий из тысяч частиц, этот порядок сохраняется недолго.Потеря квантовых свойств без влияния извне
Когда атомы взаимодействуют друг с другом, беспорядок начинает распространяться с определенной скоростью. Атомы в уже неупорядоченных областях теряют свои квантовые свойства.
Им можно назначить температуру — как в классическом газе. «Скорость, с которой распространяется беспорядок, зависит от количества атомов», — говорит Тим Ланген. Это определяет четкую границу между областями, которые можно описать классической температурой, и областями, где квантовые свойства остаются неизменными.Через некоторое время беспорядок распространился по всему облаку.
Замечательное наблюдение состоит в том, что эта потеря квантовых свойств происходит только из-за квантовых эффектов внутри атомного облака, без какого-либо влияния со стороны внешнего мира. «До сих пор такое поведение было только предположением, но наши эксперименты демонстрируют, что природа действительно так себя ведет», — отмечает Йорг Шмидмайер.Атомные облака: мир сам по себеВ некотором смысле атомное облако ведет себя как собственная миниатюрная вселенная.
Он изолирован от окружающей среды, поэтому его поведение определяется исключительно его внутренними свойствами. Начиная с полностью квантово-механического состояния, через некоторое время облако выглядит «классическим», хотя оно развивается в соответствии с законами квантовой физики.
Вот почему эксперимент не мог просто помочь нам понять поведение больших атомных облаков, он также мог помочь объяснить, почему мир, с которым мы сталкиваемся каждый день, выглядит таким классическим, даже несмотря на то, что он управляется квантовыми законами.