На порозі наукової революції. Американські дослідники виявили «міст» між класичною та квантовою фізикою

Навіщо це вченим? Чому б не визнати, що німецький фізик ідеально описав світ, у якому ми живемо?

Якщо зазирнути безпосередньо в основи Всесвіту, ми побачимо зовсім іншу картину. У світі елементарних частинок панує квантова фізика, яка не узгоджується із законами теорії відносності. Головна їхня відмінність — у наявності суперпозиції у випадку з квантовою фізикою, яка дозволяє частинкам існувати в декількох місцях одночасно, тоді як класична фізика обмежена лише одним місцем у будь-який момент часу.

Нещодавно дослідники використали цю особливість квантової фізики для розв’язання математичної задачі, над якою вчені билися понад 250 років.

Однак ми досі випускаємо момент «переходу» класичної фізики в квантову. Пошук цієї точки дотику двох дивовижних світів є однією з головних загадок науки, адже ми досі не можемо прийти до єдиної системи фізичних законів.

Фізики з Массачусетського технологічного інституту (МТІ) стверджують, що здійснили неможливе — простежили за квантовим ефектом у класичному середовищі, коли «квантові торнадо» утворювалися у хмарах ультрахолодних атомів. Їхнє дослідження опубліковано у журналі Nature.

У 1980 році фізики відкрили квантовий ефект Холла, який спостерігався в квантовій рідині, що складається з хмар електронів, які плавають у магнітних полях. Проте стежити за рухами електронів — не найпростіше завдання. Щоб її полегшити, фізики з МТІ вирішили замінити їх на ультрахолодні атоми, які б рухалися не так швидко, аби простежити за роботою такої системи.

За нормальної температури атоми діють як більярдні кулі та відскакують один від одного. Проте що нижчою стає температура, то нижчою буде швидкість їхнього руху. Якщо ж температура стане досить низькою, досягнувши мільярдних часток вище абсолютного нуля, а атоми будуть розташовуватися дуже щільно один до одного, вони зможуть «відчувати» один одного і координувати свої рухи, наче б вони були одним великим суператомом.

Професор Мартін Цвірляйн, який очолює дослідження, пояснює, що вони хотіли простежити за кожним окремим атомом, щоб зрозуміти, «чи вони підкоряються одній і тій же квантово-механічній фізиці».

Для цього вони використали лазерну пастку, охолодивши хмару приблизно з мільйона атомів натрію до практично нульової температури — близько 100 нанокельвінів. Після цього магнітні поля розкрутили атоми до швидкості близько 100 обертів за секунду — через короткий час вчені помітили, що атоми перетворилися на довгу структуру у формі голки, яка досягла критичної квантової товщини.

Потім структура почала розпадатися на мініатюрні тюрнадо, формуючи квантовий кристал — результат атомних взаємодій усередині газу, що обертається. Саме цей момент вчені описують як перехід від класичної фізики до квантової механіки, а можливість спостерігати за цим переходом фізики називають «справжнім науковим проривом».

«Ця еволюція схожа на ідею про те, як метелик у Китаї може викликати шторм у США через нестабільність, що спричиняє турбулентність. Тут ми розглядаємо щось на кшталт квантової погоди: рідина через свою квантову нестабільність розпадається на кристалічну структуру з менших хмар і вихорів. Спостерігати ці квантові ефекти безпосередньо — неймовірне досягнення», — каже Цвірляйн.

Авжеж, до розв’язання однієї з головних наукових таємниць — об'єднання класичної та квантової фізики — нам ще далеко. Однак це дослідження показує, що знайти рішення реально — і колись ми виявимо цю тонку нитку, яка об'єднує ці два світи воєдино.