Физики совместили классические эффекты Квантовой механики и СТО
Физики из Великобритании поставили эксперимент, который объединяет классические эффекты Квантовой механики и Специальной теории относительности. Для этого ученые поставили интерферометр Хонга — У — Мандела на вращающуюся платформу и показали, что минимум вероятности, измеряемый в этом эффекте, сдвигается в соответствии с эффектом Саньяка. Кроме того, исследователи предложили схему похожего эксперимента, который объединяет Квантовую механику с Общей теорией относительности. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В начале XX века классическая механика окончательно себя дискредитировала, и на смену ей пришли две важнейшие теории современной физики — Квантовая механика (КМ) и Общая теория относительности (ОТО). Обе эти теории воспроизводят классическую механику в предельном случае слабых гравитационных полей, маленьких скоростей и больших масштабов, однако по-разному расширяют ее вдали от этого предела. С одной стороны, Квантовая механика и ее наследница, Квантовая теория поля, описывают всевозможные квантовые эффекты на фоне плоского пространства-времени. С другой стороны, Общая теория относительности связывает гравитацию и геометрию пространства-времени, однако пренебрегает квантовыми эффектами.
Закономерным продолжением этих теорий является гипотетическая Теория всего, которая на универсальном языке описывает квантовые и гравитационные эффекты, а в предельных случаях переходит в КМ и ОТО. К сожалению, такая теория до сих пор не построена. Более того, экспериментаторы не видят никаких намеков на Теорию всего — слишком уж сложно создать систему, в которой одинаково сильно проявляются квантовые и гравитационные эффекты. Конечно, такие системы существуют в теории — самыми известными примерами являются черные дыры и молодая Вселенная, в которых радиус кривизны пространства-времени сравним с планковской длиной. Однако по большей части они до сих пор служат развлечением для теоретиков, которые пытаются разглядеть в их поведении слабые намеки на единую теорию. Воспроизвести сингулярности черной дыры или Большого взрыва в лаборатории невозможно.
До сих пор ученые поставили всего два настоящих эксперимента, которые объединяют Квантовую механику и Специальную теорию относительности (частный случай ОТО). В первом эксперименте физики измеряли квантово-механический сдвиг фазы интерферирующих нейтронов, помещенных в гравитационное поле со слабым градиентом. Во втором эксперименте исследователи наблюдали за интерференцией фотонов в равномерно ускоряющейся системе. Для более тонких экспериментов, как правило, нужно точно измерять слабые гравитационные силы, а потому реализовать их при текущем уровне развития техники невозможно.
Группа физиков под руководством Майлза Паджетта (Miles Padgett) придумала еще один эксперимент, на исход которого влияют эффекты и Квантовой механики, и Специальной теории относительности. В основе нового эксперимента лежит классический эффект Хонга — У — Мандела по проверке квантовой природы света, впервые поставленный еще в 1987 году. В этом эксперименте два фотона направляются на светоделитель, в котором каждый фотон может с равной вероятностью пройти или отразиться. Если фотоны являются классическими частицами, то вероятность, что они оба одновременно попадут на один и тот же выход, равна ½. Если же фотоны являются бозонами, то они всегда выходят из светоделителя вместе.
Правда, чтобы фотоны были неотличимы друг от друга, нужно, чтобы их путь от источника до детектора занимал одинаковое время. Поэтому обычно эксперимент модифицируют, добавляя временну́ю задержку между фотонами и измеряя вероятность одновременного детектирования фотонов двумя разными детекторами. Если фотоны подчиняются квантовой статистике, у этой зависимости будет характерный минимум с нулевым значением вероятности (фотоны всегда попадают в один детектор).
Группа Паджетта повторила эксперимент Хонга — У — Мандела в приведенной выше формулировке, поставив установку на вращающуюся платформу и соединив источник фотонов со светоделителем стометровым отрезком оптоволокна, уложенным в 35 круглых витков. Тем самым физики совместили классический квантово-механический эксперимент с классическим экспериментом Специальной теории относительности — эффектом Саньяка, который предсказывает разницу фаз между фотонами, которые бегут по кольцевому интерферометру в противоположных направлениях. В частности, для построенной установки СТО предсказывает сдвиг около 170 градусов на герц.
Как и ожидалось, из-за сдвига фаз, вызванного вращением интерферометра, «пополз» и минимум вероятности в эффекте Хонга — У — Мандела. В среднем сдвиг составлял около 200±12 нанометров на герц. Если учесть, что коэффициент преломления стекла оптоволокна составляет n≈1,5, а длина волны лазера, используемого в эксперименте, λ≈652 нанометра, этот сдвиг отлично согласуется со сдвигом, предсказанным СТО.
Авторы статьи подчеркивают, что их эксперимент одновременно ухватывает эффекты КМ и СТО, хотя полученный результат довольно тривиален. Кроме того, ученые отмечают, что его легко можно обобщить на более сложный случай, учитывающий эффекты Общей теории относительности. Для этого физики предлагают заменить вращающуюся платформу тремя спутниками, которые будут пересылать фотоны вокруг Земли. В этом случае сдвиг фаз будет определяться расстоянием до центра Земли и угловым моментом ее вращения, а его величина всего на порядок отличается от сдвига, измеренного в эксперименте с вращающейся платформой. Следовательно, поставить такой эксперимент можно уже сейчас.
В мае этого года китайские физики использовали эффект Хонга — У — Мандела, чтобы доказать квантовую природу тепловых фотонов, излученных независимыми источниками. В качестве тепловых источников ученые использовали Солнце и искусственную квантовую точку. Впрочем, из-за сложного спектра Солнца ученые не смогли добиться истинного запутывания: в эксперименте пара фотонов вместе выходила из светоделителя с вероятностью около p=0,796. Эта величина не дотягивает до единицы, как должно быть для неразличимых фотонов, однако значительно превосходит классическую вероятность (p=0,5).
Дмитрий Трунин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.