Свързаха корпускулярно-вълновия дуализъм и принципа на неопределеност

Приятна изненада: квантовата физика е по-малко сложна, отколкото изглежда.

Международен екип учени доказаха, че две своеобразни особености на квантовия свят, които преди се смятаха за различни, се оказват две прояви на едно и също.

Резултатите от изследването са публикувани на 19 декември в изданието Nature Communications.

Патрик Коулз, Ждрежей Канивски и Стефани Венер са стигнали до своите изводи в Центъра за квантови технологии на Националния университет на Сингапур.

Те открили, че корпускулярно-вълновият дуализъм е просто маскиран квантов принцип на неопределеност, свеждайки двете загадки в едно.

„Връзката между неопределеността и корпускулярно-вълновия дуализъм се оказва напълно естествена, когато подразбирате под тях въпроси за това, каква информация можете да получите в системата. Нашият резултат подчертава силата на мислене във физиката от гледна точка на информацията“, казва Венер, доцент по квантова механика в университета в Делфт, Нидерландия.

Това откритие задълбочава нашето разбиране за квантовата механика и може да породи поток от идеи за нови приложения на корпускулярно-вълновия дуализъм.

Корпускулярно-вълновият дуализъм е идея за това, че квантовият обект се държи като вълна, но вълновото поведение изчезва, ако се опитате да обозначите мястото на обекта. Най-добре той се проявява в експеримента с двата процепа, когато единични частици, да речем електрони, се пропускат през екран с два тесни процепа.

Частиците образуват интерферентна картина на задната стена зад процепите, дори ако се пускат поединично, но ако учените се опитат да проследят през кой процеп ще прелетят частиците, те попадат само на едно място. Възниква усещане, че частиците ни мамят, като не ни позволяват да надникнем как творят своята вълнова магия.

Принципът на квантовата неопределеност е идея, че е невъзможно да се знаят с точност две неща за частицата едновременно. Например, колкото по-точно знаете положението на атома, толкова по-неточно ще можете да определите скоростта, с която той се движи. Това ограничение лежи в основата на самата природа и не зависи от качеството на измерване.

Новото изследване показва, че количеството информация, което можете да разберете за вълновото поведение на частицата (а не за точната частица) в системата, е ограничено също толкова, колкото позволява принципът на неопределеност.

Корпускулярно-вълновият дуализъм и принципът на неопределеност са фундаментални концепции на квантовата физика от 90-те години на ХХ век.

„Инстинктивно усещахме, но само инстинктивно, че между тях трябва да има връзка“, казва Коулз.

Има възможност да се запишат уравнения, които показват колко много може да се разбере за двете свойства, произтичащи от принципа на неопределеност. Коулз, Канивски и Венера – експерти по такива уравнения, известни като „ентропийни съотношения на неопределеност – са открили, че цялата математика, която преди е описвала корпускулярно-вълновия дуализъм, може да бъде преписана в термини на тези съотношения.

„Сякаш открихме „розетския камък“, който обединява два различни езика – казва Коулз. – Литературата на корпускулярно-вълновия дуализъм беше с йероглифи, които сега можем да преведем на роден език. Имахме няколко момента на „еврика!“, когато най-после разбрахме това.“

Тъй като ентропийните съотношения на неопределеност се използват в сферата на квантовата криптография – схеми за шифроване с използване на квантови частици, – учените смятат, че работата им ще вдъхнови инженерите за създаване на нови протоколи за шифроване.

В предишни работи Венер и колегите му намерили връзка между принципа на неопределеност и друга физика – квантовата нелокалност и втория закон на термодинамиката.

Следващата цел на изследователите ще бъде осмислянето на това, как тези части от пъзела може да се съберат ведно и да образуват общата картина на строежа на природата.