Физици откриха, че вероятността светлинните кванти да бъдат в определено крайно състояние е с 5,9 процента по-малка от теоретичните предсказания. Това противоречи на хипотезата за праволинейните траектории на фотоните.
В експеримента учените са използвали интерферометър и оптична система, за да наблюдават разпространението на фотони от подготвени квантово-механични състояния, които се характеризират със суперпозиция на координата и импулс. Статията е публикувана в списанието Physical Review A.
Границата на приложимост на класическите закони на физиката в малки мащаби е въпрос, който учените все още изследват. В квантовата механика движението на частица се свързва с еволюцията на пространствения оператор x̂(t) с времето, което се описва в термините на началното състояние x̂(0) и импулса p̂x съгласно следната формула: x̂(t ) = x̂(0) + p̂x/m t.
Ако поставим конкретни стойности на x и px в тази формула, това уравнение ще съответства на класическия първи закон на Нютон, който гласи, че частица с маса m ще се движи равномерно и праволинейно в отсъствието на сили, действащи върху тази частица. В случай с безмасови фотони масата m се заменя с израза h/(cλ), където h е константата на Планк, c е скоростта на светлината и λ е дължината на вълната на фотона. Но поради съотношението на неопределеност на Хайзенберг е невъзможно едновременно да се определят конкретни стойности на x и px, но е възможно да се изчислят вероятностите P(L) и P(B) тези величини да приемат стойности от интервалите L и Bхсъответно. Ако приемем праволинейно разпространение, частицата ще се окаже в позиция M = L + Bt/m с вероятност P(M, t).
Схема на експеримента Takafumi Ono et al. / Physical Review A, 2023
През 2017 г. професорът от университета в Хирошима Холгер Ф. Хофман предлага идеята за експеримент за оптимизация на едновременния контрол на позициите и импулсите на квантовите частици, като увеличи максимално вероятността за намиране на техните стойности в рамките на два ясно определени интервала. Хофман изчислява, че долната граница на вероятността P(M, t) се определя от формулата P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1, и показва теоретично, че тази долна граница може да бъде нарушена от квантови суперпозиции на състояния, ограничени от интервали на позиция и импулс. Хипотезата на Хофман обаче все още не е проверена експериментално.
Физиците Такафуми Оно, Нигам Самантарай и Джон Рарити от университета в Бристол се заели да проверят това чрез експериментално получаване на вероятностите P(M, t), P(L) и P(B) въз основа на статистически разпределения на частици. За тази цел те използвали интерферометър, оптична система от прорези и лещи, както и лазер, способен да работи в еднофотонен режим.
Схема на разпространение на фотона във времето Сините линии показват квантови състояния; частиците се движат по оста z, p̂x съответства на напречния импулс на фотона; червените линии показват ограниченията на траекторията на фотона. Takafumi Ono et al. / Physical Review A, 2023
Пътят на фотона бил разделен от двете рамена на интерферометъра. В едно от рамената учените поставили процеп със зададена ширина L, за да създадат пространствено състояние |L⟩, което приблизително съответства на изображението на прореза. В другото рамо поставили прорез с ширина L' и тънка леща на фокусно разстояние зад прореза. В параксиалното приближение информацията за импулса пред лещата съответства на изображението зад нея. Така учените успели да създадат суперпозиция на пространственото |L⟩ и импулсното |B⟩ състояние на фотоните.
За началното състояние учените определили експериментално вероятностите P(L) и P(B), за това те регистрирали разпределенията на частиците, преминаващи през всяко рамо на интерферометъра независимо. Въз основа на тези наблюдения физиците получили теоретична вероятност да открият фотони в крайното състояние от 13,1 процента. Физиците, използвайки CCD матрица, регистрирали фотони на разстояние z от прорезите, избрано по такъв начин, че предсказаното от Хофман отклонение на вероятността, било практически максимално. Такафуми Оно и неговите колеги наблюдавали интерференцията на квантовите състояния на позицията и импулса на фотоните. Според учените тази интерференция е довела до намаляване на наблюдаваната в експеримента вероятност с 5,9 процента.
Резултат от експеримента: а ) Зависимост на очаквания дефицит на вероятността за откриване на частици в крайното състояние в зависимост от позицията на равнината на наблюдение, нормиране към разстоянието, в което се очаква максимален ефект. Отклонението на експерименталната точка от теоретичната се обяснява с неидеалната видимост на интерференционната картина. (b) Експериментално наблюдавана интерференция на пространствено и импулсно състояние. Лилавата линия показва минималната очаквана плътност на вероятността в случай на праволинейно разпространение на частица. Takafumi Ono et al. / Physical Review A, 2023
Учените подчертават, че техните експериментални резултати не дават нови интерпретации на траекториите на квантовите частици. Вместо това, въз основа на наблюдаваните статистически данни, физиците са показали количествено, че поне първият закон на Нютон с около 5,9 процента не съответства на квантовомеханичните вероятности поради ефектите на квантовата интерференция.
Авторите смятат, че техните резултати са важна стъпка към по-нататъшното развитие на квантовата теория. Интерференцията на квантовите състояния не само нарушава първия закон на Нютон, но може да се използва и като инструмент във физиката на високите енергии.
