Представете си часовник с махало. Ако забравите да го навиете, в един момент махалото ще спре да се движи.
Но това наблюдение ще е валидно само в класическата физика. При квантовата механика, която отговаря за фундаменталното поведение на материята и светлината, нищо никога не е напълно спряло.
За първи път изследователи от Калтек (Caltech) са открили начин да наблюдават и контролират квантовото поведение на обект, който е достатъчно голям, за да бъде видян с просто око. Откритията са публикувани в електронното издание на списание Science.
Учените отдавна знаят, че в класическата физика обектите могат да бъдат напълно неподвижни. Хвърлете топче в купа и след няколко подскока то ще спре да се движи. Движението му ще бъде възпряно от други сили (гравитация и триене) и топчето ще се спре в най-ниската част на купата.
„В последните две години екипът ми и сътрудници от цял свят се опитвахме да спрем движението на малки (микрометрични) обекти, за да пресъздадем това спиране в най-ниската част“, казва Кийт Шлаб (Keith Schwab), който е професор по физика в Калтек. „Но сега знаем, че на квантово ниво, дори при нулева температура, остават флуктуации или звуци.“
Квантовото движение или шум на теория са изначални форми на движението на всички обекти. Шлаб и колегите му изобретили устройство, което им позволило да наблюдават и манипулират този шум.
Устройството се състои от гъвкава алуминиева плоча, която е поставена върху силициев субстрат. Плочата е свързана със свръхпроводима електрическа мрежа и вибрира 3,5 милиона пъти в секунда. Според законите на класическата физика вибриращата част би трябвало да спре движението си, ако е охладена до подходящата температура.
Но не това наблюдавали Шлаб и колегите му. Остатъчната енергия (квантовият шум) продължила да действа.
„Тази енергия е част от квантовото описание на природата – не може да избягаш от нея. Всички знаем, че квантовата механика обяснява странното поведение на електроните. Сега прилагаме квантовата физика върху нещо, което е относително голямо – устройство, което може да се види с микроскоп, – и наблюдаваме квантовите ефекти върху един трилион атоми вместо върху един“, обяснява Шлаб.
Шумното квантово движение е винаги налице и не може да бъде премахнато. Това поставя и лимит върху точността на измерване на позицията на даден обект. Според Шлаб и колегите му този лимит е непреодолим. Изследователите разработили техника, с която да манипулират изначалния квантов звук, и открили, че е възможно да бъде периодично намален.
Схема на гъвкавата алуминиева плоча, която се намира върху силициевия субстрат. © Chan Lei and Keith Schwab/Caltech
„Съществуват две променливи, които описват шума или движението“, добавя Шлаб. „Показахме, че можем да намалим флуктуациите на една от променливите за сметка на увеличаването на флуктуациите при другата променлива. Това се нарича квантово сгъстено състояние. Сгъстихме шума до едно-единствено място, но заради това сгъстяване той трябваше да напусне отнякъде. Но ако вземате резултатите си от места, през които не излиза шум, то няма значение откъде излиза.“
Умението да се контролира квантовият шум един ден ще бъде използвано за подобряването на прецизността на квантовите измервания, като например тези, получени от LIGO, проект на Калтек и Масачузетския технологичен институт, който има за цел да открие знаци за гравитационни вълни – вълни в структурата на пространство-времето.
„Доста време обмисляхме дали тези методи ще ни помогнат да засечем гравитационни вълни от пулсари – изключително плътни звезди, които имат същата маса като нашето Слънце, но радиусът им е само 10 километра и правят от 10 до 100 завъртания за минута“, обяснява Шлаб.
За да направят това, устройството на учените трябва да бъде с по-големи размери. „Работата ни има за цел описването на квантовата механика във все по-големи мащаби и един ден се надяваме да засечем нещо толкова голямо, колкото гравитационните вълни.“
