Физики доказали, что частицы могут существовать отдельно от своих свойств, а свойства — от частиц. Новый парадокс квантовой механики — явление «квантового чеширского кота» — был продемонстрирован экспериментально.
Новый парадокс квантовой механики: явление «квантового чеширского кота»

«Видала я котов без улыбки. Но улыбку без кота!..» — удивлялась Алиса, путешествуя по Стране чудес. Но в квантовом мире «коты» и «улыбки» вполне могут существовать вдали друг от друга: ученые показали, что нейтроны порой путешествуют отдельно от собственных магнитных моментов. Согласно законам квантовой физики час­ти­цы могут одновременно пребывать в различных состояниях. Если, к примеру, пучок нейтронов разделить надвое с помощью кремниевого кристалла, отдельные нейтроны будут испытывать трудности с «выбором пути» и окажутся на двух траекториях одновременно — в квантовой суперпозиции обоих возможных состояний. Такая установка (нейтронный интерферометр) и была использована группой ученых из Венского технологического университета, французских Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле и Университета Сержи-Понтуаз и Университета Чэпмена в Калифорнии, для того чтобы доказать существование «квантовых чеширских котов».

На нейтронном интерферометре пучок нейтронов был разделен на­двое. Частицы, следующие по различным траекториям, были «переключены» в противоположные состояния, отличающиеся знаком проекции спина на направление движения нейтронов. Затем пучки вновь объединили и направили на детектор, который фиксировал лишь нейтроны с положительной проекцией спина, прошедшие по первому пути. Если на этом пути поставить фильтр, отсеивающий часть нейтронов, детектор покажет снижение их числа. Если фильтр поставить на втором пути, на показаниях детектора это не отразится. Нейтроны обладают ненулевым спином, который порождает магнитный момент этих частиц и может меняться при воздействии внешнего магнитного поля. При сведении нейтронных пучков возникает определенная интерференционная картина, которая должна меняться даже при небольшом изменении спинов частиц. Но при воздействии магнитного поля на первый (регистрируемый) пучок экспериментаторы не увидели никакого эффекта! Тогда как магнитное поле, приложенное на пути второго (игнорируемого) пучка, повлияло на интерференционную картину.

Таким образом, непосредственно с измерительным прибором взаимодействовали лишь нейтроны, прошедшие по первому пути, но при этом к воздействию магнитного поля оказался чувствительным лишь второй путь. Система вела себя так, будто частицы отделены от их свойств. Это явление может представлять и практический интерес: разделение частиц и их спина позволит снизить шумы, влияющие на результаты высокоточных измерений, основанных на принципе квантовой интерференции.

Фото
Парадокс «квантового Чеширского кота»: нейтроны («коты») могут перемещаться по верхнему пути, тогда как их спины («улыбки») оказываются на нижнем.

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№10, Октябрь 2014).