Новая техника визуализации фиксирует превращение замороженных атомов лития в квантовые волны. Препринт исследования опубликован на сайте arXiv и пока не прошел рецензирования. Французские исследователи разработали технологию визуализации двойственной природы крошечных частиц — корпускулярно-волнового дуализма, лежащего в основе квантовой механики. Данные наблюдений подтверждают уравнение Шредингера. Новый метод поможет изучить свойства сложных квантовых систем, полагают ученые.

Чтобы наблюдать двойственность частиц, физики охладили атомы лития до температур, близких к абсолютному нулю, бомбардируя их фотонами с помощью лазера. Охлажденные атомы удерживали с помощью оптической решетки. При этом физики периодически включали и выключали лазеры, позволяя атомам перемещаться, переходя из состояния, близкого к частице, до состояния, напоминающего волну, а затем обратно.

Камера микроскопа зафиксировала свет, излучаемый атомами в состоянии частицы в два разных момента времени, а между ними атомы вели себя как волны. Из множества отдельных изображений физики реконструировали форму волны и наблюдали, как она расширяется со временем, что полностью соответствует уравнению Шредингера.

Атомы лития, охлажденные почти до абсолютного нуля. Объединив несколько таких изображений, физики наблюдали, что атомы ведут себя как волны. Изображение: Joris Verstraten et al.

Исследователи отмечают, что полученные снимки — всего лишь демонстрация метода. Теперь они планируют использовать его для изучения систем сильно взаимодействующих атомов, о квантовых свойствах которых известно меньше.

«Изучение таких систем улучшит наше понимание странных состояний материи, например тех, которые обнаружены в ядре чрезвычайно плотных нейтронных звезд или кварк-глюонной плазмы, которая, как полагают, существовала вскоре после Большого взрыва», — сказал Live Science Тарик Йефс, соавтор исследования.

Принцип корпускулярно-волнового дуализма предполагает, что все объекты квантового размера существуют как частицы и волны одновременно. Для объяснения квантовой механики австрийский физик Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент. Он поместил кота в запертый ящик с радиоактивным веществом, счетчиком Гейгера и колбой с синильной кислотой. В определенный период времени атом вещества с определенной вероятностью может распасться. Это активирует счетчик Гейгера и запускает механизм, который разбивает колбу с ядом.

Поскольку сторонний наблюдатель не знает, распался ли атом, он также не знает, жив кот или мертв. Согласно квантовой механике в этот момент кот должен находиться в суперпозиции: он одновременно и жив, и мертв. Уравнение Шредингера показывает, что атомы существуют как пакеты волнообразной вероятности в пространстве, которые затем при наблюдении схлопываются в дискретные частицы.