Ново изследване на физици от университета Браун заключи една от странностите на квантовата механика в орехова черупка. По-точно – в хелиев мехур.

Експериментите под ръководството на Хъмфри Марис, професор по физика в Браун, позволили да се установи, че квантово състояние на електрона – неговата вълнова функция – може да се раздели на части, а тези части на свой ред да се хванат в капан от мехурчета течен хелий.

В квантовата механика частиците нямат определено положение в пространството. Те съществуват както вълнова функция и разпределение на вероятностите, които включват всички възможни места за разположение на частицата. Марис и колегите му смятат, че част от това разпределение може да се раздели и отдели.

„Хванахме в капан шанса за откриване на електрона, не части на самия електрон – казва Марис. – Това малко прилича на лотария. Когато лотарийните билети са продадени, всеки притежател на билет получава лист хартия. Всички тези хора имат определени шансове и може да се каже, че тези шансове се разпределят в пространството. Но има само една награда – един електрон – и кой ще я получи, ще стане ясно по-късно."

Ако интерпретацията на Марис е вярна, тя повдига дълбоки въпроси за процеса на измерване в квантовата механика. В традиционната формулировка, когато се измерват характеристиките – тоест тя бъде открита в определена точка, – вълновата функция колапсира.

„Проведените от нас експерименти показват, че самото взаимодействие на електрона с голяма физическа система от рода на вана с течен хелий не се явява измерване – казва Морис. – Възниква въпросът: а какво е тогава?"

Фактът, че вълновата функция може да бъде разбита на два или повече мехура, вече е странен сам по себе си. Ако детекторът открие електрон в един от мехурите, какво се случва с другия?

Електронните мехури

През годините учените са си задавали въпроси за странното поведение на електроните в течен хелий, охладен почти до абсолютната нула. Когато електронът попадне в течността, той отблъсква околните атоми хелий, образувайки мехури с размер от порядъка на 3,6 метра.

Размерът на мехура се определя от налягането на електрона спрямо повърхностното налягане на хелия. Но в експериментите, които започнали да се провеждат още през 60-те години, възникнали странности в движението на мехурчетата.

В експериментите импулсът на електроните попада в горната част на запълнената с хелий тръба, а детекторът регистрира електрически заряд, когато мехурчетата с електрони достигат долната част на тръбата. Тъй като мехурчетата имат ясно определен размер, те трябва да изпитват определено съпротивление с движението, а следователно и да постъпват в детектора едновременно.

Но това не се случва. Експериментите установили неидентифицирани обекти, които попадат в детектора преди обичайните електронни мехурчета. С годините учените установили 14 различни обекта с различни размери, които, изглежда, се движат по-бързо от електронните мехурчета.

„Те бяха загадка от самия момент на откриването им. Никой нямаше добро обяснение."

Под неизвестните обекти привиждали примеси в хелия – заредени частици, които свободно попадали през стените на контейнера. Друго възможно обяснение било хелиеви йони, хелиеви атоми, придобили един или няколко излишни електрона, създаващи отрицателен заряд в детектора.

Но Марис и колегите му, включително Нобеловия лауреат Леон Купър, смятали, че новата серия експерименти ще може да проясни ситуацията.

Новите експерименти

Изследователите провели серия експерименти над мобилността на електронните мехурчета при доста по-голяма чувствителност отпреди. Те успели да открият всички 14 обекта от предишните работи плюс четири допълнителни, появяващи се при различните експерименти. В допълнение към тези 18 обекта изследването показало и многобройни допълнителни обекти, появяващи се рядко.

Очевидно, казва Марис, има не 18 обекта, а безкраен брой с „непрекъснато разпределение на размерите" чак до размера на нормално електронно мехурче. Това на свой ред поставило точка на идеята, че това са примеси или хелиеви йони.

Единственото, което според учените може да обясни резултатите, е „деление" на вълновата функция. В определени ситуации вълновата функция на електрона се разбива на части, преди да влезе в течността, и нейните части се улавят от отделните мехурчета.

Тъй като мехурчетата съдържат по-малко от цяла вълнова функция, те и самите са по-малки от нормалните електронни мехурчета и следователно се движат по-бързо.

В новата си работа Марис и екипът му предложили механизъм, чрез който може да протича делението. Той се подкрепя от квантовата теория и добре се съгласува с експерименталните резултати. Механизмът включва понятие от квантовата механика, известно като надбариерно отражение.

В случая с електроните и хелия то работи приблизително така: когато електронът се отделя от повърхността на течния хелий, има определен шанс той да я пресече и определен шанс да отскочи. В квантовата механика тези възможности се изразяват като част от вълновата функция, пресичаща бариерата, и част, отразяваща се от нея.

Възможно е малки електронни мехурчета да се образуват в тази част на вълновата функция, която пресича повърхността. Размерът на мехура зависи от това колко вълнови функции протичат и това би могло да обясни непрекъснатото разпределение на малките електронни мехурчета, открити в хода на експеримента.

Идеята, че част от вълновата функция се отразява от бариерата, е стандартна за квантовата механика, казва Купър. „Не мисля, че ще се намери някой, който да не е съгласен с това. Нестандартната част се заключава в това, че част от вълновата функция, която преминава, може да има физическо влияние върху размера на мехурчето. Това е принципно ново."

Освен това изследователите смятат, че това се случва, след като вълновата функция попадне в течността, което малко прилича на капки масло във вода. „Понякога капката образува едно мехурче. Понякога две, друг път стотици."

В квантовата теория има елементи, които сочат тенденцията на вълновата функция да се разбива на конкретни размери. Според изчисленията на Марис конкретните размери съответстват на въпросните често срещащи се 18 електронни мехурчета.

„Смятаме, че това свидетелства за добро обяснение на експериментите – казва Марис. – Тези данни са събрани още преди 40 години. Експериментите не са били безгрешни – правили са ги много хора. Ние имаме традиция да използваме бръснача на Окам, когато се опитваме да измислим най-простото обяснение. Доколкото мога да съдя, ето го."

Но то повдига редица интересни въпроси, които се намират на границата на науката и философията. Например необходимо е да се предположи, че хелият не провежда измерване на фактическото положение на електрона. Ако го правеше, всеки мехур, в който не е бил открит електрон, просто би изчезнал. На свой ред това сочи към една от най-дълбоките загадки в квантовата теория.

„Никой не знае какво наистина представлява измерването. Възможно е физиците да успеят да се разберат, че някой в бял халат, седящ в лабораторията на известен университет, може да проведе измерване. Но какво да кажем за някой, който не е сигурен, че прави измерване? Необходимо ли е наличието на съзнание при това? Ние не знаем."