Теория. Серж Арош и его фотоны

Теория

Можно сказать, что первый парадокс квантовой механики состоит в том, что на сегодня этот раздел физики одновременно и самый точный, и самый противоречивый. До сих пор все теоретические расчёты в данной области были абсолютно верны, однако смысл формул квантовой механики весьма трудно, а порой и невозможно объяснить с позиций здравого смысла и на обыденном языке. Дело в том, что в привычном нам мире мы имеем дело только с большими объектами, с размерами на много порядков больше размеров атомов и элементарных частиц. В мире же квантовой механики действуют совсем иные, противоречащие законам классической механики правила. Так называемый принцип неопределённости Гейзенберга (открытый им в 20-х годах XX века) гласит, что невозможно измерить координаты частицы, не вызвав непредсказуемого изменения её скорости, и наоборот.

Поясним смысл этого принципа. Чтобы визуально определить, например, положение обычного (неквантового) объекта в пространстве, достаточно осветить его (или использовать какое-то другое излучение) и зафиксировать зрением либо чувствительным элементом отражённое от предмета излучение. Из опыта мы знаем: сколько ни свети на предмет — с места он не сдвинется, следовательно, наши измерения никак не влияют на объект. Но в квантовом мире ситуация иная. Ведь для того, чтобы определить положение или скорость квантовой частицы, нет иных способов, кроме как либо использовать другую частицу или излучение (которые, несомненно, станут взаимодействовать с исходной, изменяя её координаты и/или скорость), либо уничтожить её, «поймав» детектором. Таким образом, любое измерение воздействует на квантовую систему, изменяя её состояние. Если удастся точно зафиксировать положение частицы, то погрешность определения её скорости будет бесконечна, и наоборот.

Из-за принципа неопределённости объекты квантового мира описывают специальными волновыми функциями, которые определяют вероятности нахождения объекта в определённой точке пространства. Распространение этих волн подчиняется уравнениям Шрёдингера — одним из главных уравнений квантовой механики. Наблюдение же за квантовой системой разрушает её, превращая волну в обычную частицу. Этот процесс называется редукцией фон Неймана или коллапсом волновой функции.

Всё, о чём рассказано выше, относится к копенгагенской интерпретации квантовой механики — одному из вариантов объяснения физики событий, происходящих в квантовом мире. Её концепцию создали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг в 1927 году, и она долгое время считалась наиболее достоверной. На сегодняшний день её постепенно начинает вытеснять многомировая интерпретация, основы которой заложил американский теоретик Хью Эверетт ещё в 1957 году. Эта теория подразумевает, что есть множество «параллельных» вселенных, в которых имеются одни и те же фундаментальные константы и действуют одинаковые законы физики, но вселенные эти находятся в разных состояниях. Такое представление позволило обойтись без теории коллапса функций, заменив её обратимостью эволюции состояний системы и квантовой сцепленностью, при которой квантовые состояния объектов остаются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между объектами.

Серж Арош и его фотоны

И Арош и Уайнленд изучали взаимодействие фотонов с атомами, но их подходы были различны: Арош использовал атомы для определения наличия фотонов внутри резонатора, а Уайнленд воздействовал на атомы лазерным излучением.

В парижской лаборатории Ароша фотоны запускались в резонатор — камеру диаметром около трёх сантиметров, состоящую из двух вогнутых зеркал. Зеркала из сверхпроводящего материала были охлаждены практически до абсолютного нуля, что сделало их самыми «блестящими» в мире: единственный фотон мог существовать в камере, отражаясь от зеркал, 130 миллисекунд. До момента поглощения фотон пробегал 40 000 километров — практически «кругосветное» расстояние. Обеспечив долгую жизнь «подопытному» фотону, Арош для его обнаружения решил использовать так называемые ридберговские атомы, высоковозбуждённый внешний электрон в которых находится на очень высоком энергетическом уровне. В экспериментах Ароша его высота была порядка 125 нанометров, приблизительно в тысячу раз больше, чем у атомов с электроном в основном (невозбуждённом) состоянии.

Гигантские атомы по одному, со скоростью, подобранной так, чтобы они не успевали поглотить фотон, пропускались через резонатор. Взаимодействие с фотоном изменяло фазу волновой функции атома, то есть смещало её «гребни» и «провалы». Это фазовое смещение можно измерить. Его наличие означает, что фотон есть, а отсутствие — что фотона нет. Совершенствуя методы исследований, Арошу с коллегами удалось не только определить наличие фотонов внутри резонатора, но и подсчитать их число.