Zarifa Jan 22 at 18:04

Квантовая механика для «больших» или как заставить металл интерферировать?

Easy

4 min

13K

+18

Comments 11

bel9 Jan 22 at 19:24

🔥

fujinon Jan 22 at 19:43

Ждем запутанных наночастиц?

zbot Jan 22 at 20:00

на мой скромный взгляд запутанные макрочастицы были бы намного более интересны, вот представим себе 2 запутанных авто... если первое поворачивает на налево, то втрое обязательно направо :-)

funca Jan 22 at 20:37

Они встречаются на разделительной линии? Еще путаница бывает, когда одно тормозит, а другое за ним жмёт на газ.

fujinon Jan 22 at 21:01

Они же едут в противоположные стороны, поэтому логично было бы, что поворачивают либо оба направо либо оба налево?

say_TT_plz Jan 23 at 04:35

У меня молоко так периодически делает в холодильнике, пока жена мне на него не укажет.

А теперь и не скажешь, что ведьма, во всем квантовая физика виновата.

Rainarrow Jan 22 at 20:45

А как же "это все из-за фотонов измерительного прибора".

kapas19 Jan 23 at 08:03

Позволю себе встрять с нестандартным комментарием. Уж очень интересная работа.

Работа группы Арндта – безусловно инженерный и экспериментальный подвиг: интерференция металлических нанокластеров натрия массой 170 кDa (более 7000 атомов), делокализация на 133 нм, макроскопичность $\mu=15.5$ – на порядок выше всех предыдущих рекордов. Переход от ковалентных молекул к аморфным металлическим кластерам действительно открывает новый класс объектов для квантовых экспериментов. И всё же, читая статью, я не могу избавиться от ощущения, что в погоне за рекордом по массе мы снова уходим от более фундаментального вопроса – а что, собственно, такое классический предел и как он возникает?

Меня смущает, что эксперимент реализован в условиях предельной стерильности: режим «одна частица в приборе за раз», сверхвысокий вакуум $9\cdot 10^{-9}$ mbar, криогенное охлаждение до 77 K, прецизионная коллимация (слиты 0.5–1 мм на расстояниях ~2 м), жёсткая масс-селекция с $\Delta m / m=0.32$ . По сути, нам показывают, что самоинтерференция выживает, если для неё тщательно сконструировать специальный экспериментальный контекст. Это блестящая демонстрация экспериментального мастерства – но рассказывает ли это что-то о природе классического предела?

Авторы сами честно пишут в разделе "Обсуждение": "observing matter-wave interference... reveals no breakdown of the quantum superposition principle related to mass or size alone". То есть стандартная квантовая механика работает при изоляции – что, собственно, никогда и не вызывало сомнений. Вопрос ведь не в том, можем ли мы удержать квантовость у тяжёлых объектов в вакууме, а в том, почему она исчезает в обычных условиях.

И вот здесь, мне кажется, возникает концептуальная развилка. Классический мир, который мы наблюдаем вокруг, возникает не потому, что квантовую систему «портят» газом, фотонами или нагревом – это внешняя декогеренция, которую исследует данная работа через $\mu$ -параметр. Авторы тестируют модели спонтанного коллапса (CSL, Diósi–Penrose), и параметр μ измеряет, насколько хорошо система изолирована от окружения. Его рост означает всё более строгие ограничения на гипотетические модификации уравнения Шредингера. Это важно, но это лишь одна сторона медали.

А где же вторая? Где исследование того, как интерференция подавляется при росте плотности ансамбля, коллективных эффектов, статистического усреднения – без всякого внешнего «ломания» установки? В работе нет анализа зависимости контрастности от плотности пучка. Нет попытки найти критическую концентрацию, где суперпозиция становится неотличимой от статистической смеси. Нет исследования того, как ведут себя квантовые фазы, когда частиц становится много, но они всё ещё не сталкиваются друг с другом.

Более того, Figure 3 показывает нечто любопытное: при массах >400 kDa (где авторы наблюдают даже более высокую контрастность интерференционных полос $V=0.66\pm0.09$ !) длина волны де Бройля $\lambda_{dB}\le3$ fm становится настолько короткой, что квантовые и классические предсказания для данной установки совпадают. Эксперимент входит в режим геометрической оптики. То есть рост массы не приближает нас к какой-то «границе квантовости» – он приближает нас к пределам разрешающей способности данного интерферометра.

У меня складывается впечатление, что мы исследуем два изолированных полюса:

Стерильный предел: одна тяжёлая частица $\to$ волна (данная работа)
Грязный предел: много частиц $\to$ классика из-за столкновений

А между ними – пустота. Нам не показывают режим, где интерференция исчезает не из-за внешнего шума, а из-за чего-то более тонкого: потери операциональной доступности квантовых фаз при росте сложности ансамбля.

Осмелюсь высказать своё понимание: волновая функция – это не физическое поле, «приклеенное» к нанокластеру. Это контекст всей системы «источник – динамика – детектор». Группа Арндта совершила подвиг не потому, что «утяжелила квант», а потому, что смогла удержать этот контекст для системы большой сложности: согласовать длину когерентности (~133 нм), скорость пучка (~160 м/с), температуру, вакуум и ионизационные решётки так, чтобы фазовые соотношения оставались стабильными на дистанции почти метр.

В реальном макромире такой контекст просто не формируется. Он перегружен связями с окружением, тепловым движением, флуктуациями. Индивидуальные квантовые фазы теряют физический смысл – не нарушая при этом линейности квантовой динамики. Классический предел, возможно, это не «поломка» квантовости, а смена контекста: когда число степеней свободы настолько велико, что фазы становятся физически недоступными для измерения.

Работа показывает границы нашей способности изолировать систему. Но показывает ли она механизм классичности в естественных условиях? Мне кажется, нет.

Что было бы интереснее? Возможно, не гнаться за массой в мегадальтонах (авторы упоминают возможность вертикального интерферометра с фактором $\times 100$ ), а исследовать «грязные» переходы: как меняется контраст при варьировании плотности пучка от режима «одна частица» до коллективного ансамбля? Есть ли критическая концентрация, где интерференция коллапсирует без внешнего шума – просто из-за статистического усреднения? Можно ли наблюдать переход от когерентной суперпозиции к некогерентной смеси, управляя только числом частиц в системе?

Такие эксперименты менее эффектны. Они не дадут красивой синусоиды при $\mu=15.5$ для пресс-релизов. Но, мне кажется, именно они могут прояснить природу классического предела, а не только пределы нашей способности подавлять шум.

В итоге: да, это рекорд экспериментального контроля декогеренции. Да, это впечатляющая демонстрация того, что стандартная КМ работает при изоляции. Но исследует ли это работа классический предел как ансамблевый эффект, как смену физического контекста при росте сложности системы? Боюсь, что нет. Рост массы $\ne$ приближение к классике. Это лишь приближение к пределам нашей способности изолировать систему от окружения.

По поводу оригинальной работы - Париж стоит мессы.

phenik Jan 24 at 11:08

Если предыдущие эксперименты работали с уникальными молекулами, имеющими строгую атомную структуру, то теперь учёные исследовали наночастицы натрия размером около 8 нм — по сути, микроскопические "кусочки" обычного металла. Эти частицы, состоящие из 5-10 тысяч атомов, не имеют строгой молекулярной формулы.

Возможно они не знали в этой работе несколько лет назад кв. суперпозиция была достигнута для объекта также из металла - алюминия, размером ~15 микрометров в диаметре и состоящие ~10^12 атомов. Мало кто сомневается, что при такой надежной изоляции, которая трудно воспроизводится в естественных условиях, кв. суперпозиция воспроизводится для макроскопических тел. Как отметил оратор в предыдущем коменте интересно не воспроизведение, а возможное спонтанное нарушение суперпозиции, предполагаемое в некоторых гипотетических представлениях, которая могла бы провести границу с микромиром.

kapas19 Jan 24 at 15:52

Мне кажется, что эксперименты, упомянутые в статье, относятся к иному контексту, чем результаты, обсуждаемые в этом дайджесте. Поэтому сопоставлять их напрямую по «массе» или числу атомов, на мой взгляд, не вполне корректно методически.

Что касается отсылки к моему комменту. Просто уточню: я вообще не про «спонтанный коллапс» и иные экзотические интерпретации. Я исхожу из того, что квантовость фундаментальна, а классическое описание – вторично. Переход к классике для меня – это не «поломка» линейной динамики, а физическая неизбежность: при нарастании связей со средой фазовая согласованность элементов системы разрушается настолько быстро, что макрообъект оказывается «заперт» в единственно возможном классическом сценарии. Классика в моем понимании – это не отсутствие квантовости, а режим, в котором из-за колоссального числа внутренних и внешних степеней свободы квантовый контекст просто не может физически проявиться в динамике целого объекта.

Возможно, Нобелевская премия 2025 года за макроскопическое туннелирование – наглядный тому пример: квантовые эффекты становятся видимыми в макроскопических цепях именно тогда, когда удаётся искусственно подавить внешнюю связность, «навязывающую» системе классическое поведение. Там же, где эта связность неизбежна, квантовый контекст просто не успевает физически проявиться.

Пока же мы наблюдаем лишь то, что граница микро/макро последовательно отодвигается по мере улучшения вакуума и изоляции в тех или иных экспериментах.

phenik Jan 25 at 02:53

Я исхожу из того, что квантовость фундаментальна, а классическое описание – вторично. Переход к классике для меня – это не «поломка» линейной динамики, а физическая неизбежность: при нарастании связей со средой фазовая согласованность элементов системы разрушается настолько быстро, что макрообъект оказывается «заперт» в единственно возможном классическом сценарии.

Согласен эксперименты в разной постановке, но об одном и том же, пределе до которого действуют закономерности КМ. Спонтанный коллапс, действие гравитации, или иной механизм, в любом случае, как возникает среда, окружение, как не назови, если исходно действовали только закономерности КМ, как фундаментальные? В одной из недавних статей автор задался тем же вопросом, писал там комент.