На пороге научной революции. Американские исследователи обнаружили «мост» между классической и квантовой физикой

Зачем это ученым? Почему бы не признать, что немецкий физик идеально описал мир, в котором мы живем?

Если заглянуть в самые основы Вселенной, мы увидим совсем другую картину. В мире элементарных частиц царит квантовая физика, которая совершенно не согласовывается с законами теории относительности. Главное их отличие — в наличии суперпозиции в случае с квантовой физикой, которая позволяет частицам существовать в нескольких местах одновременно, в то время как классическая физика ограничена лишь одним местом в любой момент времени.

Недавно исследователи использовали эту особенности квантовой физики для решения математической задачи, над которой ученые бились более 250 лет.

Однако мы до сих пор упускаем момент «перехода» классической физики в квантовую. Поиск этой точки соприкосновения двух удивительных миров и является одной из главных загадок науки, ведь мы до сих пор не можем прийти к единой системе физических законов.

Физики из Массачусетского технологического института (МТИ) утверждают, что совершили невозможное — проследили за квантовым эффектом в классической среде, когда «квантовые торнадо» образовывались в облаках ультрахолодных атомов. Их исследование опубликовано в журнале Nature.

В 1980 году физики открыли квантовый эффект Холла, который наблюдался в квантовой жидкости, состоящей из облаков электронов, которые плавают в магнитных полях. Однако следить за движениями электронов — не самая простая задача. Чтобы ее облегчить, физики из МТИ решили заменить их на ультрахолодные атомы, которые двигались бы не так быстро, чтобы проследить за работой такой системы.

При нормальной температуре атомы действуют как бильярдные шары и отскакивают друг от друга. Однако чем ниже становится температура, тем ниже будет скорость их движения. Если же температура станет достаточно низкой, достигнув миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, а атомы будут располагаться очень плотно друг к другу, они смогут «чувствовать» друг друга и координировать свои движения, как если бы они были одним большим «суператомом».

Профессор Мартин Цвирляйн, возглавляющий исследование, объясняет, что они хотели проследить за каждым отдельным атомом, чтобы понять, «подчиняются ли они одной и той же квантово-механической физике».

Для этого они использовали лазерную ловушку, охладив облако из примерно миллиона атомов натрия до практически околонулевой температуры — около 100 нанокельвинов. После этого магнитные поля раскрутили атомы до скорости около 100 оборотов в секунду — спустя короткое время ученые заметили, что атомы превратились в длинную структуру в форме иглы, которая достигла критической квантовой толщины.

Затем структура начала распадаться на миниатюрные торнадо, формируя квантовый кристалл — результат атомных взаимодействий внутри вращающегося газа. Именно этот момент ученые описывают как переход от классической физики к квантовой механике, а возможность наблюдать за этим переходом физики называют «настоящим научным прорывом».

«Эта эволюция похожа на идею о том, как бабочка в Китае может вызвать шторм в США из-за нестабильности, вызывающей турбулентность. Здесь мы рассматриваем что-то вроде квантовой погоды: жидкость из-за своей квантовой нестабильности распадается на кристаллическую структуру из меньших облаков и вихрей. Наблюдать эти квантовые эффекты напрямую — невероятное достижение», — говорит Цвирляйн.

Конечно же, до решения одной из главных научных тайн — объединения классической и квантовой физики — нам еще далеко. Однако это исследование показывает, что найти решение реально — и когда-нибудь мы обнаружим эту тонкую нить, которая объединяет эти два мира воедино.