Ученые впервые наблюдали квантовую запутанность атомов гелия

Квантовые физики из Австралийского национального университета (ANU) впервые наблюдали квантовую запутанность в движении атомов гелия – явление, при котором частицы с массой одновременно находятся в двух разных точках пространства.

Доктор Шон Ходжман из Исследовательской школы физики ANU говорит:

"Нам действительно странно думать, что Вселенная работает именно так. Можно прочитать об этом в учебнике, но осознавать, что частица может находиться в двух местах одновременно, по-настоящему странно."

Эксперимент стал серьёзным шагом вперёд по сравнению с аналогичными опытами, проводившимися ранее с фотонами – частицами света. Принципиальное отличие в том, что атомы гелия обладают массой и подвержены гравитации, что делает демонстрацию квантовых эффектов значительно сложнее.

Чтобы понять суть эксперимента, нужно начать с основ. В квантовой механике частицы ведут себя совершенно не так, как привычные объекты. Мяч не может лежать одновременно на столе и на полу – но атом, в теории, может. Более того, два атома способны "запутаться" – связаться друг с другом так, что измерение одного мгновенно определяет состояние другого, независимо от расстояния между ними.

Эйнштейн называл это "жутким дальнодействием" и сомневался, что природа действительно так устроена. Десятилетиями учёные доказывали реальность запутанности на фотонах – частицах света без массы. Но продемонстрировать то же самое на атомах, которые обладают массой и подчиняются гравитации – задача совершенно другого уровня (технически, фотоны тоже подвержены влиянию гравитации – но ее эффекту на пространство-время).


Именно это удалось сделать команде ANU. Учёные охладили атомы гелия-4 почти до абсолютного нуля, создав так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна – состояние, в котором тысячи атомов ведут себя как единое квантовое целое. Затем с помощью лазерных импульсов конденсат расщепили на несколько облаков, двигающихся с разными скоростями. Когда эти облака сталкивались, пары атомов разлетались в противоположных направлениях, оставаясь при этом квантово связанными – запутанными.

Представить это можно как бильярдный удар в микромире. Два шара разлетаются от точки столкновения, но в квантовом варианте каждый из них "не решил", куда именно полетел, пока кто-то не посмотрит. И как только один атом обнаруживается в определённом месте, его партнёр мгновенно оказывается в противоположном – вне зависимости от расстояния.

Чтобы доказать, что эта связь подлинно квантовая, а не объясняется какими-то скрытыми классическими причинами, учёные построили специальный интерферометр – прибор, в котором пути запутанных атомов пересекаются и создают интерференционную картину.

Если атомы ведут себя классически, картина будет одной. Если квантово – совершенно другой. Результаты однозначно указали на квантовое поведение.

Ключевым критерием стало так называемое неравенство Белла – математический тест, разработанный ещё в 1960-х годах для проверки реальности квантовой запутанности. Если результаты эксперимента нарушают это неравенство, значит, происходящее невозможно объяснить обычной физикой.

Команда ANU зафиксировала нарушение на уровне 3,9 стандартных отклонения – убедительный результат, подтверждающий, что атомы действительно демонстрируют нелокальное поведение. Проще говоря, связь между запутанными атомами реальна, мгновенна и не передаётся никаким известным сигналом.

Этот результат подтверждает предсказания более чем столетней давности о том, что материя может находиться в двух местах одновременно и интерферировать сама с собой даже в этих местах.

Практическое значение эксперимента выходит за рамки фундаментальной физики. Демонстрация квантовой запутанности на частицах с массой открывает путь к исследованию одного из главных нерешённых вопросов современной науки.

Квантовая механика блестяще описывает мир атомов и элементарных частиц. Общая теория относительности столь же точно описывает гравитацию и устройство Вселенной в целом.

Однако две эти теории до сих пор не удалось объединить в одну непротиворечивую картину – так называемую "Теорию всего". Эксперименты, в которых квантовые эффекты наблюдаются на частицах, подверженных гравитации, это именно тот мостик, который может помочь связать два мира физики воедино.


Это сообщение отредактировал AxExE - 2 апр 2026 в 11:44