Квантовый мир раскрыл секрет раздвоения: наночастицы умудрились побывать в двух местах сразу

Квантовые эффекты, которые обычно работают на уровне отдельных атомов, впервые удалось зафиксировать в куда более крупной системе. Австрийские физики смогли "раздвоить" наночастицы натрия, заставив их существовать сразу в двух положениях. Расстояние между этими состояниями оказалось в десятки раз больше размеров самих частиц. Об этом сообщает Science focus.

Как наночастицы натрия оказались в двух местах сразу

Команда физиков из Венского университета перевела в состояние суперпозиции кластеры, состоящие более чем из 7000 атомов натрия. В эксперименте частица одновременно находилась в двух точках, разделённых расстоянием 133 нанометра. Для неспециалистов такая величина кажется почти незаметной, но в масштабе квантового мира это серьёзный шаг: расстояние превышает размер наночастицы более чем в двадцать раз.

Чтобы представить масштаб, исследователи приводят аналогию: это примерно как если бы теннисный мяч одновременно находился в двух местах, удалённых друг от друга примерно на 80 сантиметров. Подобный эффект напрямую связан с квантовой механикой, где частицы могут вести себя не как объекты, а как волны.

Суперпозиция стала известной благодаря мысленному эксперименту Эрвина Шрёдингера о коте, который одновременно жив и мёртв, пока наблюдатель не откроет ящик. В реальности такого поведения на макроуровне мы не видим, однако теория не запрещает его существование даже для достаточно крупных объектов.

Почему эксперимент проверяет границы квантовой механики

Учёные отмечают, что формулы квантовой механики не устанавливают строгих ограничений на размеры объектов, которые могут проявлять суперпозицию. Главная проблема в том, что чем больше объект, тем сильнее он взаимодействует с окружающей средой, а значит быстрее теряет хрупкое квантовое состояние.

Ведущий автор исследования Себастьян Педалино подчёркивает, что квантовая механика считается универсальной.

"Любой квантовый физик подтвердит: мы исходим из того, что стандартная квантовая механика универсальна. Из базовой теории не следует никаких фундаментальных ограничений", — говорит ведущий автор исследования Педалино.

Тем не менее некоторые физики предполагают, что при достижении определённой массы или сложности объекта квантовая теория может перестать работать в привычном виде. Именно поэтому подобные эксперименты становятся важными: они позволяют проверить, где заканчивается "квантовый мир" и начинается классическая физика.

Интерес к таким вопросам растёт и в популярной культуре: например, идея параллельных состояний и реальностей активно обсуждается в контексте теории многих миров.

Как устроили установку и почему учитывали вращение Земли

С технической точки зрения эксперимент оказался крайне сложным. Для него была создана специальная установка с двухметровым интерферометром, помещённым в шестиметровую вакуумную камеру. Наночастицы натрия проходили через три решётки, сформированные ультрафиолетовым лазерным светом. Эти решётки действовали как невидимая сетка, заставляя частицы вести себя как волны и формировать интерференционную картину.

По специальной шкале "макроскопичности", которая учитывает массу объекта, расстояние между квантовыми состояниями и длительность эффекта, новый результат оказался более чем в десять раз сильнее предыдущих рекордов.

Исследователям пришлось учитывать даже вращение Земли. Оно способно исказить интерференционную картину за короткое время прохождения частицы через установку — около 10 миллисекунд. Такие детали подчёркивают, насколько чувствительными остаются квантовые эффекты даже при строгом контроле условий.

Что увидели учёные и куда пойдут дальше

По словам Педалино, момент фиксации интерференционного сигнала оказался самым эмоциональным этапом работы.

"Это было как искать иголку в стоге сена, — вспоминает Педалино. — Когда мы наконец увидели интерференционный сигнал, испытали огромное облегчение. А еще отметили, что это очень красиво".

Теперь венская команда планирует продолжить эксперименты и перейти к более сложным объектам. Учёные хотят попробовать запустить через установку биологические частицы, например небольшие вирусы, чтобы исследовать их свойства с помощью квантовых методов.

Подобные исследования важны не только для фундаментальной науки, но и для будущих технологий — например, в области квантовых сенсоров, сверхточных измерений и новых подходов к анализу биологических структур. Уже сейчас физические принципы активно применяются в прикладных разработках, включая управление микророботами.