О Нобелевской премии 2012 года по физике

Фарид Халили
Фарид Халили

Нобелевская премия по физи­ке 2012 года присуждена Сер­жу Арошу (Serge Haroche) из College de France (Франция) и Дэвиду Уайнленду (David Wineland) из Нацио­нального Института стандартов (США) за создание «революционных экспериментальных методов, открывающих возможности измерений и манипуля­ций с индивидуальными квантовыми системами». В эксперименталь­ной группе, возглавляемой Дэвидом Уайнлендом, в качестве таких систем выступают единичные ионы либо ней­тральные атомы, заключенные в опти­ческие ловушки. В группе Сержа Ароша предпочитают работать с более экзо­тическими, так называемыми ридберговскими атомами. По сути обычные атомы щелочных элементов, внешний электрон которых заброшен на очень далекую от ядра орбиту (главное кван­товое число n>50). Такие атомы обла­дают набором уникальных свойств, делающих их удобным объектом для квантовых экспериментов: они могут помнить свое квантовое состояние очень долго (по атомным масштабам), десятки миллисекунд, и в то же вре­мя могут очень охотно обмениваться этим состоянием с СВЧ-излучением правильной частоты.

Серж Арош (www.larecherche.fr)
Серж Арош (www.larecherche.fr)

Ключевым в формулировке Но­белевского комитета является, без­условно, слово «индивидуальными». Умение работать с индивидуальны­ми квантовыми объектами откры­вает совершенно новые возможно­сти в экспериментальной физике. В частности, охлажденные до мил­лионных долей кельвина индивиду­альные ионы в экспериментах Уайленда с коллегами позволили им создать рекордные по точности атом­ные часы (уход — меньше секунды за 4 миллиарда лет). В группе Сержа Ароша была продемонстрирована регистрация с помощью ридберговских атомов единичных квантов СВЧ-излучения, причем без поглощения последних (так называемое кванто­вое невозмущающее измерение чис­ла квантов; что интересно, для куда более «весомых» оптических кван­тов эта задача не решена до сих пор). Хрестоматийным примером перспек­тивного применения индивидуальных квантовых систем являются квантовые компьютеры.

Однако подобные эксперименты имеют и огромное фундаментальное значение. Проблема в том, что «обыч­ная» квантовая механика создавалась в 20-е годы прошлого века для опи­сания больших коллективов кванто­вых систем, и она сталкивается с про­блемами, когда требуется предсказать поведение единичного объекта. В ка­честве простейшего примера можно привести квант света (фотон), пада­ющий на полупрозрачное зеркало. Простой квантовый расчет дает, что половина энергии фотона отразится от зеркала и вторая пройдет сквозь него. Возникнет состояние, называемое «квантовой суперпозицией». Од­нако эксперимент дает совсем другой результат. Если разместить по фотоде­тектору на пути прошедшей и отра­женной половинок, то один, и только один, из них (какой именно — зара­нее непредсказуемо) зарегистриру­ет весь квант целиком.

Для того, чтобы примирить кван­товую теорию с реальностью, еще на заре ее развития к ней был добав­лен дополнительный так называе­мый постулат о редукции, утверж­дающий, что при столкновении с классическим наблюдателем состо­яние квантовой суперпозиции мгно­венно схлопывается (редуцирует) в один из вариантов (фотон отразил­ся — фотон прошел насквозь). При­чем редукция происходит мгновен­но, «со скоростью мысли». Понятие «классический наблюдатель» при этом никак не определяется, что приводит к парадоксам, самый из­вестный из которых — знаменитый кот Шредингера.

Что если один из упомянутых фото­детекторов вызывает срабатывание механизма, убивающего котика? Если решать задачу строго по квантовой теории, то несчастный зверь окажет­ся в состоянии квантовой суперпо­зиции «живой+мертвый». Но если кот является «классическим наблю­дателем», то произойдет редукция, и он будет либо на 100% жив, либо на 100% мертв.

Дэвид Уайнленд
Дэвид Уайнленд (www.commerce.gov)

В 50-е годы прошлого века было показано, что в принципе можно отка­заться от постулата редукции, но для этого требуется принять точку зре­ния, что вполне макроскопические объекты, включая и людей, надо рас­сматривать как квантовые сущности, которые могут реально находиться в состоянии квантовой суперпозиции. Однако из этой точки зрения следуют выводы, по сравнению с которыми блекнет все, до чего пока что доду­мались фантасты. Возможно, поэтому большинство физиков хотя и охотно признают, что «вся вселенная кван­товая», тем не менее не спешат от­казаться от привычной формулиров­ки квантовой теории, включающей постулат о редукции.

Помочь разобраться с этим мо­гут только эксперименты с индиви­дуальными квантовыми объектами. Пока что «коты Шредингера», кото­рых удавалось реально приготовить в лаборатории, были очень малень­кими — один ион, один атом. Однако сейчас уже готовятся эксперименты, в которых будут исследоваться впол­не макроскопические, видимые невооруженным глазом, индивидуаль­ные квантовые системы. Возможно, они помогут освободить квантовую теорию от постулата о редукции (а возможно, наоборот, продемонстрируют, что она все-таки действи­тельно происходит на каком-то уров­не макроскопичности).

Фарид Халили,
доктор физ.-мат. наук, профессор физического факультета МГУ

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: