Физики впервые наблюдали странный эффект квантового бумеранга

При эффекте квантового бумеранга крошечные частицы, сдвинутые с места, возвращаются туда, откуда пришли. Когда частицы в неупорядоченных системах выбрасываются со своих мест, то ненадолго улетают. Но в большинстве случаев, вместо того чтобы остаться в другом месте, они возвращаются на свои исходные позиции.

Научная статья вышла в Physical Review X, кратко о ней рассказывает Live Science.

Американский физик-теоретик Филип Андерсон впервые заложил основу для предсказания квантового эффекта бумеранга в 1958 году. Только в 2019 году были закончены подробные расчеты этого явления. И, наконец, в 2022-м вышла публикация о том, как эффект наблюдали в лаборатории.

Исследователи поместили газ, состоящий из 100 000 атомов лития, в магнитную ловушку, а затем с помощью лазера охладили его почти до абсолютного нуля (–273 °С). Это открывает двери для некоторых действительно странных квантовых эффектов.

При такой температуре газ превратился в состояние вещества, называемое конденсатом Бозе — Эйнштейна, когда атомы практически не двигаются друг относительно друга, у них для этого почти нет свободной энергии. Атомы начинают слипаться и входят в одинаковое энергетическое состояние. Они становятся идентичными с физической точки зрения. Вся группа начинает вести себя так, как будто это один атом. Это придает некоторым конденсатам Бозе — Эйнштейна свойство сверхтекучести, позволяя их частицам двигаться без трения. Если бы можно было размешать сверхтекучий конденсат Бозе — Эйнштейна в кружке, он бы никогда не перестал вращаться.

«Когда исследователи воздействуют на этот конденсат лазерным лучом, это удар сразу по всем атомам. Все они действуют как одна волна», — сказал ведущий автор статьи Рошан Саджад, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Кроме того, одно ключевое правило квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга, гласит, что невозможно одновременно определить положение и импульс (куда и как она движется) частицы с абсолютной точностью. Однако в конденсате Бозе — Эйнштейна такое оказывается возможным. Все это позволило провести эксперимент, чтобы зафиксировать эффект квантового бумеранга. 100 000 атомов, действующих как один, позволили ученым легко отслеживать импульс, придаваемый этой системе.

Подвергнув атомный конденсат серии из 25 лазерных ударов, исследователи наблюдали, как первые толчки увеличивали импульс атомов — те были на короткое время смещены со своих позиций. Но добавление дополнительных ударов не увеличивало этот импульс. Наоборот, это привело к тому, что средний импульс вернулся к нулю — атомы бумерангом вернулись в исходное положение и успокоились.

По всей вероятности, это происходит из-за того, что в квантовом мире частица может вести себя одновременно и как волна. А когда волны взаимодействуют друг с другом, в некоторых случаях они могут друг друга нейтрализовывать. Правда, принципиальное значение в данном случае имеет симметричность воздействия. Если удары были хотя бы немного несимметричны, эффекта бумеранга не возникло бы.

В любом случае такое никогда в принципе бы не произошло в классической физике, к которой мы привыкли. Например, постоянно качающийся маятник будет непрерывно поглощать энергию каждого толчка и продолжать двигаться после каждого удара.

Теперь, когда исследователи подтвердили, что эффект реален, они хотят проверить его дальше. В будущих экспериментах физики попробуют узнать, возможно ли одновременное возникновение нескольких взаимодействующих квантовых эффектов бумеранга.