Гигантские молекулы могут быть в двух местах одновременно, благодаря квантовой физике.
Это то, что ученые давно знают, теоретически верно, основываясь на нескольких фактах: каждая частица или группа частиц во вселенной также является волной - даже крупные частицы, даже бактерии, даже люди, даже планеты и звезды. И волны занимают несколько мест в космосе одновременно. Таким образом, любой кусок материи может также занимать два места одновременно. Физики называют это явление «квантовой суперпозицией», и на протяжении десятилетий они демонстрировали его с помощью мелких частиц.
Но в последние годы физики расширили свои эксперименты, демонстрируя квантовую суперпозицию с использованием все более крупных частиц. Теперь, в статье, опубликованной 23 сентября в журнале Nature Physics, международная команда исследователей заставила молекулу, состоящую из 2000 атомов, занимать два места одновременно.
Чтобы осуществить это, исследователи создали сложную, модернизированную версию серии известных старых экспериментов, которые впервые продемонстрировали квантовую суперпозицию.
Исследователи давно знали, что свет, пропущенный через лист с двумя прорезями в нем, создаст интерференционную картину или серию светлых и темных полос на стене за листом. Но свет понимался как безмассовая волна, а не как нечто из частиц, так что это не удивительно. Тем не менее, в серии известных экспериментов в 1920-х годах физики показали, что электроны, прошедшие сквозь тонкие пленки или кристаллы, будут вести себя аналогичным образом, образуя структуры, подобные свету на стене за дифрагирующим материалом.
Если бы электроны были просто частицами, и поэтому могли занимать только одну точку в пространстве за раз, они образовали бы две полоски, примерно в форме щелей, на стене за пленкой или кристаллом. Но вместо этого электроны попадают на эту стенку сложным образом, что говорит о том, что электроны вмешивались в себя. Это явный признак волны; в некоторых точках пики волн совпадают, создавая более яркие области, в то время как в других точках пики совпадают с впадинами, поэтому эти два компенсируют друг друга и создают темную область. Поскольку физики уже знали, что электроны имеют массу и определенно являются частицами, эксперимент показал, что материя действует как отдельные частицы и как волны.
Но одно дело создать интерференционную картину с электронами. Делать это с гигантскими молекулами намного сложнее. Более крупные молекулы имеют менее легко обнаруживаемые волны, потому что более массивные объекты имеют более короткие длины волн, которые могут привести к едва заметным интерференционным картинам. И эти частицы с 2000 атомами имеют длины волн меньше диаметра одного атома водорода, поэтому их интерференционная картина гораздо менее впечатляющая.
Чтобы осуществить эксперимент с двумя щелями для больших вещей, исследователи создали машину, которая могла бы запускать пучок молекул (гигантские вещи, называемые «олиготетрафенилпорфирины, обогащенные фторалкилсульфанильными цепями»), которые в несколько раз превышают массу простого атома водорода в 25 000 раз. ) через ряд решеток и листов с несколькими прорезями. Луч был около 6,5 футов (2 метра) в длину. Это достаточно много, чтобы исследователи должны были учитывать такие факторы, как гравитация и вращение Земли при разработке излучателя луча, писали ученые в статье. Они также держали молекулы достаточно теплыми для эксперимента по квантовой физике, поэтому им приходилось учитывать тепло, сталкивающееся с частицами.
Но все же, когда исследователи включили машину, детекторы на дальнем конце луча обнаружили интерференционную картину. Молекулы занимали несколько точек в пространстве одновременно.
Исследователи написали, что это потрясающий результат, доказывающий квантовые помехи в больших масштабах, чем когда-либо прежде было обнаружено.
«Следующее поколение экспериментов с волной материи приведет к увеличению массы на порядок», - пишут авторы.
Итак, грядут еще большие демонстрации квантовых помех, хотя, вероятно, не удастся в ближайшее время выстрелить через интерферометр. (Прежде всего, вакуум в машине, вероятно, убил бы вас.) Нам, гигантским существам, просто нужно будет сидеть в одном месте и смотреть, как частицы забавляются.
