Квантовая вселенная с ее четкими правилами и принципами продолжает бросать вызов нашему традиционному пониманию физики. В основе этого вызова лежит принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что положение и инерция частицы не могут быть точно известны в одно и то же время.
Недавно группа исследователей под руководством Такафуми Оно из Университета Кагавы (Япония) провела смелый эксперимент, чтобы проверить эту идею. Используя в качестве объекта исследования фотон, они обнаружили значительное расхождение между предсказаниями, основанными на законах Ньютона, и экспериментальными результатами. Это открытие, ставящее под сомнение первый закон движения Ньютона в квантовом мире, может потребовать переоценки наших представлений о движении частиц в этом масштабе. Исследование доступно на платформе .
Проблема первого закона Ньютона
Первый закон движения Ньютона, сформулированный в конце XVII века, сформировал наши представления о движении объектов. Согласно этому закону, все объекты остаются в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если на них не действует внешняя сила. Однако при переходе в квантовый мир этот закон, похоже, ставится под сомнение.
В квантовом мире правила меняются. Законы Ньютона заменяются аналогичными правилами квантовой теории. Принцип неопределенности Гейзенберга, лежащий в основе квантовой механики, гласит, что положение и инерция объекта никогда не могут быть измерены одновременно с идеальной точностью. Это затрудняет точное определение движения объекта.
Свет как тест?
Японская исследовательская группа разработала эксперимент, чтобы проверить, является ли прямолинейное движение правилом, которое можно перенести из классической физики в квантовую. В качестве квантового объекта они использовали фотон — единичную единицу света.
Фотон — это сингулярная частица. Он не имеет массы и движется с максимально возможной скоростью. В эксперименте фотон создавался с помощью лазера и проходил через несколько линз и щелей, после чего попадал на детектор.
Исследователи обнаружили, что результаты измерений, полученные в ходе эксперимента, не совпадают с предсказаниями, основанными на уравнении квантовой теории, которое имитирует первый закон Ньютона. Расхождение между предсказаниями и реальными измерениями составило 45 %. Это означает, что фотон вел себя не так, как предсказывал закон Ньютона. Вместо того чтобы двигаться по прямой линии, фотон, по-видимому, двигался по другому пути.
Эти результаты свидетельствуют о том, что квантовые частицы, такие как фотоны, не обязательно подчиняются тем же правилам движения, которые наблюдаются в макроскопическом мире. Поэтому законы ньютоновской физики, точно описывающие движение больших объектов, не вполне применимы к квантовому миру.
Интерпретации остаются теоретическими
Интерпретация результатов этого эксперимента сложна. Квантовые законы обычно содержат статистическую информацию, т.е. информацию о поведении не одной, а многих частиц. Это означает, что, хотя мы можем предсказать среднее поведение группы частиц, предсказать поведение отдельной частицы гораздо сложнее. Поэтому трудно понять, как предположение о прямолинейном движении может быть нарушено для отдельной частицы.
Новый способ понимания этих результатов может заключаться в переосмыслении самой природы фотона. Вместо того чтобы рассматривать фотон как твердую частицу, мы можем рассматривать его как более текучую сущность, способную расщепляться или «исчезать» при движении. Такая точка зрения может помочь объяснить, почему фотон не движется по прямой траектории, как это предсказывает закон Ньютона. Однако эта точка зрения пока находится на стадии теории и требует дополнительных исследований и экспериментов для своего подтверждения.