В мире физики фундаментальный закон, известный как «принцип наименьшего действия», был впервые продемонстрирован с помощью квантовых объектов, что ознаменовало значительный прогресс в нашем понимании квантовой вселенной. Этот закон, который является основой физики с 18-го века, был замечен непосредственно в квантовой области с помощью инновационного эксперимента с использованием частиц света — фотонов. Это глубокая концепция, которая связывает классическую и квантовую физику. Ее экспериментальная демонстрация является важным достижением в нашем понимании квантовой физики.
Принцип наименьшего действия — это фундаментальный закон физики, который гласит, что природа всегда выбирает путь, требующий наименьших затрат энергии. Другими словами, для любой физической системы действие (величина, объединяющая энергию, время и пространство) сводится к минимуму.
В квантовом мире все немного сложнее из-за вероятностной природы квантовой механики. Одиночный фотон имеет не одну определенную траекторию, а скорее суперпозицию всех возможных траекторий, по которым он может двигаться. Каждая возможная траектория имеет определенную вероятность, и эти вероятности могут взаимодействовать друг с другом конструктивным или деструктивным образом, в зависимости от квантовой фазы, связанной с каждой траекторией.
Недавно этот фундаментальный принцип был продемонстрирован группой исследователей под руководством Ши-Лян Чжу из Южно-Китайского педагогического университета. Команда использовала фотоны для проверки этого принципа на квантовом уровне, что является первым в физике. Их исследование опубликовано в журнале .
Законы квантовой физики и фотоны
Следует отметить, что когда принцип наименьшего действия применяется к одному фотону, действие рассчитывается для всех возможных траекторий. При проведении своего эксперимента авторы исследования опирались на предыдущее значительное достижение 2011 года.
Джефф Ландин из Университета Оттавы в Канаде и его коллеги разработали новую технику, позволяющую напрямую наблюдать волновую функцию — сложное распределение, используемое для полного описания квантовой системы. Однако обычно она вводится как абстрактный элемент теории, без явного определения.
В данной работе исследователи предлагают метод прямого измерения волновой функции путем выполнения последовательности из двух измерений системы. Первое измерение выполняется в «мягкой» манере (т.е. слабое измерение), чтобы не аннулировать второе. В результате реальная и мнимая составляющие волновой функции появляются непосредственно на измерителе.
Эта техника была продемонстрирована при измерении поперечной пространственной волновой функции одного фотона, переводя его мнимые числа в измеряемые величины, такие как поляризация света. Чтобы проверить принцип наименьшего действия на квантовом уровне, Чжу и его коллеги разработали аналогичный, но более сложный эксперимент, в котором одиночные фотоны двигались через лабиринт крошечных зеркал, линз и кристаллов, каждый из которых манипулировал своими свойствами.
Они построили этот лабиринт таким образом, что когда они выходили из него, измеряемые свойства фотонов соответствовали мнимым частям их волновых функций и пропагаторов в дополнение к тем частям квантового состояния, которые обычно можно измерить, поскольку они являются вещественными числами. Следует отметить, что квантовые состояния и волновые функции изменяются при взаимодействии с любым измерительным устройством.
Используя показания детекторов и камер в лаборатории, которые измеряли поляризацию и положение каждого фотона, они восстановили их волновые функции в разных точках лабиринта и пропагаторы, ответственные за различия между этими волновыми функциями.
Они изучили две ситуации: одна была квантовым эквивалентом шарика, катящегося по ровному полу без трения, а другая — шарика, застрявшего на дне круглой чаши. Результаты подтвердили, что даже в квантовом масштабе природа, похоже, следует по пути наименьшего сопротивления.
Объединение фундаментальной физики и квантовой механики
Эти результаты имеют глубокие последствия для нашего понимания квантовой Вселенной. Они подтверждают, что законы физики, которые мы наблюдаем в макроскопическом масштабе, действуют и в квантовом масштабе, что укрепляет нашу уверенность в справедливости этих законов во всех масштабах Вселенной.
Однако это достижение не означает, что мы разгадали все тайны квантовой Вселенной. Напротив, он открывает дверь к новым вопросам и новым направлениям исследований. Как ведут себя другие фундаментальные законы физики в квантовом масштабе? Существуют ли пределы применимости принципа наименьшего действия в квантовой вселенной?
Это исследование — лишь один важный шаг на пути к пониманию Вселенной на ее самом фундаментальном уровне. Оно демонстрирует, что, несмотря на нетипичное поведение частиц, квантовая вселенная приближается к вселенной, которую мы знаем и понимаем.