Одним з наслідків принципу невизначеності квантової механіки є неправомірність поняття траєкторії руху квантової частинки. Будь-які вимірювання положення частинки порушують її імпульс і навпаки. Використовуючи "слабкі" виміру, команді фізиків вдалося визначити набір траєкторій ансамблю квантових частинок.

У класичному експерименті з двома щілинами, вперше проведеному більше 200 років тому, світлові хвилі проходять через одну з паралельних щілин, що на виході дає характерну інтерференційну картину чергуються світлих і темних смуг.

У початку двадцятого століття фізики показали, що інтерференційна картина зберігається, навіть якщо інтенсивність світла настільки низька, що за одиницю часу лише один фотон проходить крізь апарат. Тобто окремі фотони інтерферувати самі з собою, що показує – фотон є і хвилею і часткою одночасно.

Якщо у щілин помістити детектори, які будуть визначати, через яку щілину пройшов фотон, то інтерференційна картина зникне. Це прояв принципу невизначеності Гейзенберга: неможливо одночасно і точно виміряти і положення фотона (через яку з щілин він проходить) і його імпульс (відображенням якого є інтерференційна картина).

Освітленість екрана, коли відкрита лише одна щілину (угорі), або коли відкриті обидві щілини (внизу)

Фізик Афран Штейнберг (Aephraim Steinberg) з Університету Торонто і його колеги показали, що можливо точно виміряти положення фотонів і отримати приблизну інформацію про його імпульсі, використовуючи підхід, відомий як "слабкі вимірювання".

Вчені посилали фотони один за іншим через установку з двома щілинами, використовуючи расщепитель (светоделітель) світлового пучка і дві трубочки з оптоволокна. Також вони використовували детектор, який визначав становище фотонів на деякій відстані від щілин, і кристали кальциту перед детекторами для зміни поляризації фотона, що в підсумку дозволяло їм зробити грубу оцінку імпульсу кожного фотона щодо зміни його поляризації.

Вимірюючи імпульси багатьох фотонів, дослідники змогли з'ясувати середній імпульс фотонів, що відповідає певному положенню в детекторі. Потім вони повторювали вимірювання, збільшуючи відстань від щілин до детектора, після чого збудували середні траєкторії фотонів. При цьому інтерференційна картина не руйнувалася.

Цікаво, що отримані траєкторії виявилися дуже близькі до того, що пророкує "нетрадиційна" (альтернативна Копенгагенської) інтерпретація квантової механіки, відома як теорія пілотної хвилі (pilot-wave theory), в якій кожна частка має цілком певної траєкторіїїй, що проходить лише через одну щілину, в той час як пов'язана з нею хвиля проходить через обидві щілини одночасно.

Як підкреслює Штейнберг, робота його групи не ставить під сумнів принцип невизначеності. Отримані результати, в принципі, можуть бути виведені і з допомогою "стандартної" квантової механіки, але він підкреслює, що "не обов'язково інтерпретувати принцип невизначеності настільки суворо, як ми часто це робимо". А нові інтерпретації квантової механіки, такі як теорія пілотної хвилі могли б "допомогти нам думати нестандартно".

Вчений вважає, що ця робота може мати і практичні застосування, такі як поліпшення логічних елементів квантових комп'ютерів за рахунок повторення тих операцій, які "не спрацювали" в минулі рази. "При нормальній інтерпретації квантової механіки ми не можемо ставити питання про те, що відбувалося раніше в часі. Потрібно щось на зразок слабких вимірювань, щоб хоча б поставити подібні питання".

За матеріалами: CNews

Tweet