Физики связали корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределенности

Приятный сюрприз: квантовая физика менее сложна, чем кажется. Международная команда ученых доказала, что две своеобразных особенности квантового мира, которые ранее считались разными, оказались различными проявлениями одного и того же. Результаты работы были опубликованы 19 декабря в Nature Communications.

Патрик Коулз, Жедржей Канивски и Стефани Венер пришли к своим выводам, работая в Центре квантовых технологий Национального университета Сингапура. Они обнаружили, что «корпускулярно-волновой дуализм» — это просто замаскированный квантовый «принцип неопределенности», сведя две загадки в одну.

«Связь между неопределенностью и корпускулярно-волновым дуализмом оказывается вполне естественной, когда вы подразумеваете под ними вопросы о том, какую информацию можете получить о системе. Наш результат подчеркивает силу мышления в физике с точки зрения информации», — говорит Венер, нынче доцент квантовой механики в Университете Делфта в Нидерландах.

Это открытие углубляет наше понимание квантовой механики и может породить поток идей для новых применений корпускулярно-волнового дуализма.

Корпускулярно-волновой дуализм — это идея о том, что квантовый объект ведет себя как волна, но волновое поведение исчезает, если вы пытаетесь обозначить место объекта. Лучше всего он проявляет себя в эксперименте с двумя щелями, когда единичные частицы, скажем, электроны, пропускают через экран с двумя узкими щелями. Частицы образуют интерференционную картину на задней стенке за щелями, даже если их выпускать по одиночке, но если ученые пытаются проследить, через какую щель пролетают частицы, они попадают только в одно место. Возникает ощущение, что частицы дурачат нас, запрещая нам подглядывать, как они творят свою волновую магию.

Принцип квантовой неопределенности — это идея того, что невозможно точно знать две вещи о частице одновременно. К примеру, чем точнее вы знаете положение атома, тем менее точно вы можете определить скорость, с которой он движется. Это ограничение лежит в основе самой природы и не зависит от качества измерений. Новая работа показывает, что количество информации, которое вы можете узнать о волновом поведении частицы (а не о точечной частице) в системе, ограничено ровно настолько же, насколько позволяет принцип неопределенности.

Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределенности были фундаментальными концепциями квантовой физики с 1900-х годов.

«Мы нутром чуяли, и только нутром, что между ними должна быть связь», — говорит Коулз.

Есть возможность записать уравнения, которые показывают, как много можно узнать о паре свойств, вытекающих из принципа неопределенности. Коулз, Канивски и Венер — эксперты в видах таких уравнений, которые известны как «энтропийные соотношения неопределенностей» — обнаружили, что вся математика, которая раньше описывала корпускулярно-волновой дуализм, может быть переписана в терминах этих соотношений.

«Мы будто бы обнаружили «розеттский камень», который объединил два разных языка, — говорит Коулз. — Литература корпускулярно-волнового дуализма была иероглифами, которые мы теперь можем перевести в родной язык. У нас было несколько моментов с «эврика!», когда мы наконец поняли это».

Поскольку энтропийные соотношения неопределенностей используются в сфере квантовой криптографии — схемах шифрования с использованием квантовых частиц — ученые предполагают, что их работа вдохновит инженеров на создание новых протоколов шифрования.

В более ранних работа Венер и коллеги нашли связь между принципом неопределенности и другой физикой — квантовой «нелокальностью» и вторым законом термодинамики. Следующей целью исследователей будет осмысление того, как эти части пазла можно собрать воедино и образовать общую картину строения природы.