Физика — это наука, которая стремится понять фундаментальные законы, управляющие Вселенной. Уже более 100 лет исследователи пытаются решить великую загадку: как примирить два, казалось бы, разных мира — классическую и квантовую физику? Новое научное открытие может наконец сблизить эти два, казалось бы, противоречивых мира.
Два противоположных, но взаимодополняющих мира
Классическая физика — мир, управляющий нашей повседневной жизнью, — имеет дело с объектами, которые мы можем наблюдать непосредственно в наших собственных масштабах, такими как планеты, автомобили или самолеты. В этом мире законы Ньютона и Эйнштейна помогают нам предсказывать траектории и поведение движущихся объектов. Эти принципы относительно просты, а реальность, которую мы видим, определяется четкими причинами и следствиями.
Однако в микроскопических масштабах, когда мы приближаемся к субатомным частицам, таким как электроны или фотоны, все становится гораздо менее предсказуемым. Именно здесь на помощь приходит квантовая физика. Эта отрасль физики изучает поведение частиц на невероятно малых масштабах, где классические законы уже не действуют. Например, частицы могут вести себя и как волны, и как частицы (дуализм «волна-частица») или существовать в нескольких состояниях одновременно (суперпозиция). Эти явления противоречат интуиции и десятилетиями ставили ученых перед проблемой их понимания.
Традиционно ученые изучали классическую и квантовую физику отдельно. Однако экспериментальное устройство, недавно разработанное во Флоренции (Италия), позволяет пересечь эту границу и одновременно наблюдать явления из обоих миров. Это инновационное устройство было разработано в сотрудничестве с исследователями из Флорентийского университета, Национального института оптики (CNR-INO) и ряда других научных лабораторий.
Принцип работы устройства основан на явлении, известном как «оптическая левитация». Оно было открыто в 1980-х годах американским физиком Артуром Эшкином и заключается в использовании сфокусированного лазерного луча для «захвата» небольших частиц, например, стеклянных наносфер. Эти частицы удерживаются во взвешенном состоянии благодаря взаимодействию света и материи, и ими можно манипулировать с предельной точностью.
Команда итальянских исследователей использовала эту технику, чтобы поймать в ловушку две стеклянные наносферы. Внутри оптической ловушки эти сферы колеблются вокруг своей точки равновесия на очень определенных частотах. Это явление позволяет исследователям наблюдать в реальном времени типичное поведение как классической, так и квантовой физики.
Классическое и квантовое поведение наблюдается одновременно
Частицы, попавшие в ловушку этого устройства, колеблются таким образом, что подчиняются классическим законам в определенном масштабе. Например, сферы могут колебаться вокруг своей точки равновесия предсказуемым образом, с регулярными и измеримыми движениями. Именно этого мы ожидаем от макроскопических объектов, таких как шар или маятник.
Однако эта же система позволяет наблюдать типично квантовые явления. Частицы в ловушке достаточно малы, чтобы квантовые эффекты, такие как суперпозиция и запутывание, стали ощутимыми. Например, сферы электрически заряжены и взаимодействуют друг с другом. Траектория движения одной из сфер сильно зависит от траектории движения другой, что позволяет исследовать коллективные явления, в которых квантовая физика играет важную роль. Такое поведение часто противоречит интуиции и не может быть объяснено только с помощью классической физики.
Последствия этого открытия для науки
Этот прорыв открывает захватывающие перспективы для будущего науки. Благодаря возможности одновременного изучения двух режимов физики исследователи теперь могут изучать фундаментальные вопросы о взаимодействии классической и квантовой физики. Эти исследования могут иметь и практическое применение. Например, изучая эти системы на границе двух миров, ученые могут открыть новые способы манипулирования материей в очень малых масштабах, что может привести к достижениям в таких областях, как квантовые вычисления, сверхчувствительные датчики и технология материалов.
Более того, это открытие проливает новый свет на один из самых интригующих вопросов в физике: как ведет себя материя на границе между этими двумя мирами? Возможно ли объединить законы классической и квантовой физики в единую модель? Хотя конкретные ответы на этот вопрос еще не найдены, данное исследование представляет собой важный шаг к решению этой загадки.
