20.03.2015

Физики связали корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределенности

Приятный сюрприз: квантовая физика менее сложна, чем кажется. Международная команда ученых доказала, что две своеобразных особенности квантового мира, которые ранее считались разными, оказались различными проявлениями одного и того же. Результаты работы были опубликованы 19 декабря в Nature Communications.

Патрик Коулз, Жедржей Канивски и Стефани Венер пришли к своим выводам, работая в Центре квантовых технологий Национального университета Сингапура. Они обнаружили, что «корпускулярно-волновой дуализм» — это просто замаскированный квантовый «принцип неопределенности», сведя две загадки в одну.

«Связь между неопределенностью и корпускулярно-волновым дуализмом оказывается вполне естественной, когда вы подразумеваете под ними вопросы о том, какую информацию можете получить о системе. Наш результат подчеркивает силу мышления в физике с точки зрения информации», — говорит Венер, нынче доцент квантовой механики в Университете Делфта в Нидерландах.

Это открытие углубляет наше понимание квантовой механики и может породить поток идей для новых применений корпускулярно-волнового дуализма.

Корпускулярно-волновой дуализм — это идея о том, что квантовый объект ведет себя как волна, но волновое поведение исчезает, если вы пытаетесь обозначить место объекта. Лучше всего он проявляет себя в эксперименте с двумя щелями, когда единичные частицы, скажем, электроны, пропускают через экран с двумя узкими щелями. Частицы образуют интерференционную картину на задней стенке за щелями, даже если их выпускать поодиночке, но если ученые пытаются проследить, через какую щель пролетают частицы, они попадают только в одно место. Возникает ощущение, что частицы дурачат нас, запрещая нам подглядывать, как они творят свою волновую магию.

Принцип квантовой неопределенности — это идея того, что невозможно точно знать две вещи о частице одновременно. К примеру, чем точнее вы знаете положение атома, тем менее точно вы можете определить скорость, с которой он движется. Это ограничение лежит в основе самой природы и не зависит от качества измерений. Новая работа показывает, что количество информации, которое вы можете узнать о волновом поведении частицы (а не о точечной частице) в системе, ограничено ровно настолько же, насколько позволяет принцип неопределенности.

Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределенности были фундаментальными концепциями квантовой физики с 1900-х годов.

«Мы нутром чуяли, и только нутром, что между ними должна быть связь», — говорит Коулз.

Есть возможность записать уравнения, которые показывают, как много можно узнать о паре свойств, вытекающих из принципа неопределенности. Коулз, Канивски и Венер — эксперты в видах таких уравнений, которые известны как «энтропийные соотношения неопределенностей», — обнаружили, что вся математика, которая раньше описывала корпускулярно-волновой дуализм, может быть переписана в терминах этих соотношений.

«Мы будто бы обнаружили «розеттский камень», который объединил два разных языка, — говорит Коулз. — Литература корпускулярно-волнового дуализма была иероглифами, которые мы теперь можем перевести в родной язык. У нас было несколько моментов с «эврика!», когда мы наконец поняли это».

Поскольку энтропийные соотношения неопределенностей используются в сфере квантовой криптографии — схемах шифрования с использованием квантовых частиц — ученые предполагают, что их работа вдохновит инженеров на создание новых протоколов шифрования.

В более ранних работа Венер и коллеги нашли связь между принципом неопределенности и другой физикой — квантовой «нелокальностью» и вторым законом термодинамики. Следующей целью исследователей будет осмысление того, как эти части пазла можно собрать воедино и образовать общую картину строения природы.

Илья Хель

Источники:

1. hi-news.ru