Представьте себе две частицы, способные мгновенно обмениваться информацией, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Это явление, известное как квантовая запутанность, противоречит нашим интуитивным представлениям о том, как устроена Вселенная. Альберт Эйнштейн, описавший это явление как загадочное действие на расстоянии, долгое время считал его странным парадоксом, однако запутанность была неоднократно продемонстрирована в макроскопических масштабах. Совсем недавно ученые сделали потрясающее открытие: это странное явление происходит и внутри протонов, фундаментальных строительных блоков материи. Это открытие переворачивает наше представление о бесконечно малом и открывает путь к новым научным изысканиям.
Что такое квантовая запутанность?
Квантовая запутанность описывает ситуацию, когда после взаимодействия две частицы оказываются связанными таким образом, что их соответствующие состояния мгновенно коррелируют, независимо от расстояния, разделяющего их. Это означает, что изменение состояния одной частицы немедленно влияет на состояние другой без какой-либо задержки, связанной с расстоянием.
В основе квантовой запутанности лежит фундаментальный принцип квантовой механики — принцип суперпозиции. Когда пара частиц запутывается, их квантовые состояния становятся не просто независимыми отдельными состояниями, а образуют единое общее состояние. Это означает, что свойства частиц, такие как их спин, поляризация или положение, не могут быть описаны изолированно. Вместо этого они описываются в терминах одного общего квантового состояния. Таким образом, даже если эти частицы разделены, их общее состояние остается связанным, и информация об одной из них мгновенно отражается в другой, как только на одной из них производится измерение.
Это явление противоречит классической интуиции. В квантовом масштабе запутанность создает своего рода мост между частицами, который позволяет мгновенно обмениваться информацией. На практике, когда производится измерение одной из запутанных частиц (например, измеряется ее спин), сразу же определяется состояние другой частицы, независимо от разделяющего их расстояния. Этот процесс происходит мгновенно, что противоречит понятиям скорости и причинности, с которыми мы знакомы в нашем повседневном опыте.
Однако важно отметить, что эта мгновенность не позволяет передавать информацию со скоростью, превышающей скорость света. Передача обычной информации требует физического взаимодействия, которое подчиняется ограничениям скорости света. Таким образом, хотя запутывание и кажется мгновенным, оно не может нарушать фундаментальные принципы относительности.
Макромасштабные эксперименты и экспериментальные доказательства
На протяжении десятилетий ученые пытались проверить квантовую запутанность в экспериментах с объектами, большими, чем простые субатомные частицы, чтобы понять последствия этого явления в более осязаемых масштабах. Серия важнейших экспериментов, проведенных начиная с 1980-х годов, подтвердила, что запутанность не ограничивается теоретическими моделями.
Эти эксперименты включали в себя измерение корреляций между состояниями частиц, разделенных огромными расстояниями. Один из самых известных — эксперимент Алена Аспекта 1982 года, в котором запутанные фотоны были посланы в противоположных направлениях. Изучение результатов измерений этих фотонов выявило корреляции, которые нельзя было объяснить классическими локальными влияниями. С тех пор были проведены и другие эксперименты такого типа, а технологический прогресс позволил проверять запутанность во все более жестких условиях.
Эти результаты показали, что запутанность — не просто теоретический артефакт, а наблюдаемая реальность, действующая даже в макроскопических масштабах. Однако эти эксперименты все еще были сосредоточены в основном на системах относительно крупных частиц, таких как фотоны, а не на частицах такого малого размера, как кварки и глюоны, содержащиеся в протонах. Таким образом, недавнее открытие, распространяющее запутанность внутри протонов, знаменует собой радикальный поворот в нашем понимании этого явления.
Что исследователи обнаружили внутри протонов
Протон — далеко не простая частица, а миниатюрная вселенная, состоящая из кварков и глюонов. Кварки — это фундаментальные строительные блоки материи, а глюоны выступают в роли связующих элементов, перенося силы, удерживающие кварки вместе. До сих пор эти составляющие считались относительно независимыми. Однако группа исследователей продемонстрировала, что на самом деле эти элементы запутаны.
Для демонстрации запутанности ученые использовали высокоэнергетические столкновения частиц, подобные тем, что происходят в Большом адронном коллайдере (БАК) и коллайдере частиц HERA. Когда протон сталкивается с другой частицей на огромных скоростях, он распадается на множество вторичных частиц, подобно обломкам, выбрасываемым при автомобильной аварии.
Инновационная методика, представленная в 2017 году, позволила измерить степень порядка или беспорядка в этих событиях, изучив так называемую энтропию. Чем выше энтропия, тем больше образующихся частиц демонстрируют состояние максимальной запутанности. Проанализировав данные протон-протонных и электрон-протонных столкновений, исследователи обнаружили, что наблюдаемая энтропия полностью соответствует их теоретическим предсказаниям о запутанности. Проще говоря, кварки и глюоны внутри протона не изолированы, а образуют динамическую, связанную систему.
Почему это открытие о запутанности важно?
Открытие запутанности внутри протонов пересматривает наше представление об этих частицах, которые часто воспринимаются как простые сущности. Оно показывает, что протоны представляют собой гораздо более сложные и динамичные системы, чем представлялось ранее. Однако помимо этого фундаментального открытия, данное открытие поднимает важнейшие вопросы для будущего физики.
Один из ключевых вопросов касается влияния окружающей среды на запутанность. Например, когда протоны группируются вместе в атомных ядрах, сохраняется или разрушается их запутанность? Это явление, известное как квантовая декогеренция, важно для понимания того, как сильные взаимодействия влияют на материю в субатомном масштабе.
Эти исследования также прокладывают путь к еще более амбициозным исследованиям с помощью таких приборов, как будущий электронно-ионный коллайдер (EIC), запланированный на 2030 год. Это оборудование позволит нам изучить поведение запутанности в более сложных средах, таких как плотные ядра, состоящие из множества протонов и нейтронов.
Наконец, это открытие имеет последствия, выходящие за рамки физики частиц. Понимание запутанности на уровне протонов может пролить свет на более широкие вопросы о том, как квантовая информация организована во Вселенной. Оно может даже повлиять на прикладные области, такие как квантовые вычисления, предлагая идеи о том, как управлять сложными системами запутывания.
