Чешърският котарак живее в квантовия свят

В книгата на Луис Карол усмивката на Чешърския котарак съществува отделно от самата котка. Оказва се, че и магнитното поле на неутрона може да пътешества отделно от самия неутрон.

От самото начало на своето съществуване квантовата теория е подарила на света цял букет от необясними и поразяващи въображението явления, като например корпускулярно-вълновия дуализъм, котката на Шрьодингер и квантовата нелокалност.

Сега физиците доказаха съществуването на още едно парадоксално явление от квантовата механика, което нарекоха „квантовия Чешърски котарак“. Същината му се заключава в това, че квантовата система в определени условия може да се държи така, сякаш частиците и техните свойства са пространствено разделени.

С други думи в квантовия свят е възможно невъзможното – обектът може да бъде отделен от своите свойства. Названието на явлението е вдъхновено от прочутата книга на Луис Карол „Алиса в страната на чудесата“, където Алиса среща Чешърския котарак, който изчезва, като оставя след себе си само усмивка.

В работата на международния екип физици, публикувана в сп. Nature Communications, е предложено използването на слабите измерения за изучаване на Чешърския котарак с пример с неутрони. В експеримента с използването на неутронен интерферометър е проведено разделянето на лъч неутрони на два лъча, вървящи по различни пътища, и са изпълнявани слаби измервания на местоположението на частиците и техния магнитен момент (спин).

Експерименталните резултати показват, че системата се държи така, сякаш неутроните преминават по един път, докато техният магнитен момент пътешества по другия път. Така котките (неутроните) се намират на различно място от усмивките (спина).

Идеята за слабото измерване е предложена през 1988 г. от израелския физик Якир Ааронов и негови колеги. Същината ѝ е в това, че слабото измерване не изменя силно наблюдаваната система.

Тук е добре да си спомним, че в квантовата механика всяко измерване изменя състоянието на наблюдавания обект. Но за всичко трябва да се плаща – слабите измервания показват поведението на голям брой частици в еднакво състояние и не могат да дадат информация за отделна частица.

Затова те са приложими там, където пасват обичайните измервания. Слабите измервания са особено работоспособни, в случай че се разглежда еволюцията на системите със зададено начално (предопределено) и крайно (постопределено) състояние, което е реализирано в разглеждания експеримент.

Идеята за квантовия Чешърски котарак за първи път е разработена именно от Якир Ааронов, който през 2013 година предложил начин за използване на слабите измервания за неговото откриване, и Джеф Толаксен от университета Чапман (САЩ), един от авторите на работата.

Въпросният експеримент, за първи път доказващ съществуването на това явление, е бил проведен с източник за неутрони в института Лауе-Ланжевен в Гренобъл с участието на специалисти от Виенския технологичен университет, работещи с уникална измерителна инсталация.

В експеримента на неутронния интерферометър (виж рисунката) лъч неутрони с посока на спиновете нагоре и надолу преминава през идеален силициев кристал (Р) и се разделя на две части. След това остава поляризиран лъч, в който всички неутрони имат еднаква посока на спина (нагоре).

Спиновият ротатор ST1 обръща спина по траекторията на движение. След това в блока SRs се създават два лъча с ориентация на спиновете в различни страни: първият лъч неутрони има спин по траекторията на неутроните, спинът на втория лъч е насочен в противоположна посока (предопределено състояние).

След преминаването по различните пътища двата лъча се обединяват (PS) и се наблюдава интерференция на лъчите, проследени от детекторите H и O (Det).

В детектора О (O-Det) се регистрират само неутрони, които имат спин по посоката на движение (постопределено състояние). Всички останали просто се игнорират. Очевидно е, че тези неутрони трябва да пътешестват по първия път, тъй като само там неутроните имат такова спиново състояние.

Това се доказва в експеримента от поредната инсталация на всеки път от филтъра (ABS), поглъщащ малка част неутрони. Ако вторият лъч се пропуска през филтъра, то регистрираният брой неутрони остава неизменен. Ако първият лъч се насочи през филтъра, броят на тези неутрони намалява (на рисунката е показан филтърът на първия път).

Схема на експерименталната инсталация. Неутронният лъч е показан със зелена линия. Спиновете на неутроните са с черни стрелки. Магнитните полета – с червени стрелки. (А) – спин-анализатор. Останалите обозначения и описание на работата са дадени в текста.

„Странностите“ започват при опит да се определи къде се намира неутронният спин. За тази цел посоката на спиновете леко се променя с помощта на магнитно поле. Когато двата лъча се намалят по съответен начин, те интерферират и могат да се усилват или потискат взаимно.

Малко изменение на спиновете трябва да води до изменение в интерференционната картина. Оказва се, че магнитното поле, приложено към първия лъч, не произвежда никакъв ефект. Но ако то се приложи към втория лъч, който не съдържа регистрирани неутрони, ефектът се появява.

По такъв начин на първия път самите частици взаимодействат с измервателния уред, но само другият път е чувствителен към взаимодействието с магнитното поле. Системата се държи така, сякаш частиците са пространствено отделени от техните магнитни свойства.

Ключов детайл в инсталацията – кристалът, който разделя неутронния лъч на две части, а след това ги обединява.

Този невероятен ефект има и практическа ценност за повишаване на точността на измерванията на квантови мащаби, които много често са основани на принципа на квантовата интерференция.

Електромагнитните шумове, които влияят на спина на частиците, внасят изкривяване в измерването. Отделянето на спина от частиците позволява това изкривяване да се сведе до минимум. Например това помага да се провеждат гравитационни измервания на микрониво.