Краеугольный камень квантовой физики Фейнмана впервые доказали в эксперименте

Фундаментальный постулат квантовой теории впервые получил прямое экспериментальное подтверждение. Сформулированный Ричардом Фейнманом почти 80 лет назад, он на протяжении долгого времени служит основой для значительной части современной физики.

Наблюдать квантовые частицы без потери их свойств мы, как известно, не можем, поэтому приходится прибегать к ухищрениям — мощным математическим инструментам, предсказывающим поведение частицы в тех или иных условиях. Один из них — в «интеграл по траекториям» Фейнмана. Согласно этой концепции, наиболее вероятный путь квантовой частицы между двумя точками можно вычислить, особым образом просуммировав все возможные траектории между этими точками.

С момента своего появления в 1948 году интеграл Фейнмана вошел в учебники и стал одним из фундаментальных формализмов квантовой физики. Ученые из Южно-Китайского педагогического университета подвергли его первой прямой экспериментальной проверке, о результатах чего написали в статье в Science Advances.

В своем опыте они измеряли пропагатор — функцию, описывающую изменения квантового состояния фотона при переходе из одной точки в другую — в данном случае при прохождении через лабиринт из микроскопических зеркал, линз и кристаллов. Ранее исследователи уже научились измерять различные свойства фотонов, например поляризацию, и по этим данным восстанавливать их пропагаторы. Теперь они поняли, что интеграл по траекториям для конкретного фотона можно построить, измерив последовательность пропагаторов и перемножив их.

Для каждого фотона измерили пять пропагаторов. Поскольку число возможных траекторий, которым эти пропагаторы могли соответствовать при движении фотона через лабиринт, оказалось огромным, ограничились в итоге измерением в общей сложности 1 419 857 отдельных путей. Эти траектории подставили в формулу интеграла Фейнмана, чтобы узнать, какое поведение фотона она предсказывает, — и обнаружили, что предсказание совпадает с тем, что фотон делал на самом деле.

«Учитывая выдающийся успех формулировки Фейнмана на протяжении почти 80 лет, сам по себе результат не был неожиданным. Но наблюдать это в реальном эксперименте... все равно поразительно. Знакомая фраза „сумма по всем путям“ больше не просто символическая инструкция из учебника — мы увидели, как ее следствия непосредственно проявляются в экспериментальных данных», — говорит профессор Чжу Ши-Лян, руководивший исследованием.

По его словам, эксперимент был крайне сложным — огромное количество проверяемых траекторий открывало дорогу для ошибок и шумов, которые могли бы накапливаться и сделать конечный результат бессмысленным.

«Нам пришлось одновременно улучшать практически все аспекты экспериментальной установки», — отмечает Чжу.

Если прежнюю методику оставили неизменной, то после пятикратного перемножения пропагаторов данные выглядели бы почти полностью случайными, добавляет он.

Достигнутая точность эксперимента сама по себе — серьезный научный прогресс, подтверждает профессор Йорг Гетте из Университета Глазго. Поскольку траекторию фотона невозможно отследить напрямую, этот эксперимент продемонстрировал высокоразвитые методы квантовых измерений и управления — и доказал, что основы квантовой физики именно такие, какими их все считают.

Если бы результаты измерений оказались иными (что стало бы огромной неожиданностью), рухнула бы вся концепция расчетов через интегралы по траекториям мог бы рухнуть, резюмирует физик.

Новый эксперимент открывает путь к более сложным проверкам интеграла по траекториям — например, к прямому измерению путей фотонов не через воздух, а через другие материалы, считает Чжу.

«Мы надеемся, что исследователи из разных областей смогут адаптировать наш экспериментальный подход к своим собственным системам», — заключил он.