Всё было зря? Физики нашли фатальный изъян в принципе неопределенности Гейзенберга

Один из фундаментальных законов, на котором держится вся квантовая механика, кажется, дал трещину. Речь идет о знаменитом принципе неопределенности Гейзенберга. Это незыблемое правило гласит, что невозможно одновременно с высокой точностью измерить положение частицы и ее импульс. Проще говоря, чем точнее мы знаем, где находится частица, тем меньше мы знаем о том, куда и как быстро она движется. Этот принцип десятилетиями был камнем преткновения для ученых. Но теперь все может измениться.

В квантовой механике частицы не обладают фиксированными свойствами, как обычные предметы. Они существуют в виде «облака вероятностей» до тех пор, пока их не измерят. И как только мы измеряем одно свойство, другое тут же становится неопределенным. Так гласит теория.

Однако, как выяснилось в ходе нового исследования, в этом ограничении есть хитрая лазейка. Группа ученых продемонстрировала, что можно одновременно измерить и положение, и импульс, если сосредоточиться на других величинах — так называемых модульных наблюдаемых.

Видео от DGL.RU

«Вы не можете нарушить принцип неопределенности Гейзенберга», — объясняет один из авторов исследования. «Но мы можем сместить эту неопределенность. Мы просто отбрасываем ненужную нам информацию, чтобы с гораздо большей точностью измерить то, что нам действительно важно».

Уловка заключается в том, чтобы измерять не абсолютные значения положения и импульса, а их относительные сдвиги в рамках фиксированной шкалы. Представьте, что у вас есть линейка. При обычном измерении вы смотрите, сколько сантиметров и миллиметров до объекта. А при модульном измерении вас не волнует, на какой сантиметровой отметке находится объект. Вас интересует только, сколько миллиметров от последней целой отметки. Вы отбрасываете общую информацию о местоположении и следите только за мелкими сдвигами.

Такой подход невероятно важен для квантовых датчиков, которые должны улавливать мельчайшие изменения, вызванные слабыми силами или полями. Именно такая точность в будущем может сделать наши навигационные системы и часы еще более точными.

В своей лаборатории команда использовала один-единственный ион, который удерживался на месте с помощью электромагнитных полей. Затем при помощи лазеров ион перевели в особое квантовое состояние, которое похоже на сетку или отметки на линейке. Неопределенность в данном случае «прячется» в промежутках между этими отметками. Когда на ион действует даже крошечная сила, вся эта сетка немного сдвигается. Небольшой сдвиг в сторону указывает на изменение положения, а наклон сетки — на изменение импульса. Поскольку измерение фокусируется только на относительных сдвигах, оба параметра можно считывать одновременно.

Сила, которую удалось измерить, составила примерно 10 йоктоньютонов (это 10 в -23 степени ньютона). Это не мировой рекорд, другие ученые добивались и лучших результатов, но они использовали огромные и дорогостоящие установки. Уникальность нового метода в том, что он позволяет достичь высочайшей чувствительности с помощью относительно простой и масштабируемой системы на основе одного атома.

Это доказывает, что для сверхточных измерений не всегда нужны сложные установки. Способность улавливать крошечные изменения открывает огромные перспективы в науке и технологиях. Сверхточные квантовые датчики смогут улучшить навигацию там, где не работает GPS — под водой, под землей или в космосе. Они также могут найти применение в биологии и медицинской визуализации.

«Так же, как атомные часы произвели революцию в навигации и телекоммуникациях, сверхчувствительные квантовые датчики могут стать основой для совершенно новых отраслей», — заключают исследователи. Похоже, мы стоим на пороге новой технологической эры.

Вас разорвет на атомы. Ученый объяснил, почему падение в черную дыру — худшая смерть во Вселенной