Электрон сам не знает, когда родился: новости квантового мира

Международная группа исследователей, в которую вошли специалисты из Китая и Венского технического университета, разработала компьютерные симуляции, позволяющие наблюдать за сверхбыстрыми процессами в мире элементарных частиц.

Раньше учёные считали многие квантовые события мгновенными: электрон вращается вокруг ядра атома, а в следующий момент его выбивает вспышка света. Или две частицы сталкиваются и мгновенно становятся квантово запутанными. Теперь же физики могут проследить , как развиваются эти процессы во времени.

Профессор Йоахим Бургдёрфер из Института теоретической физики Венского технического университета объясняет: когда частицы становятся квантово запутанными, их невозможно описывать по отдельности. Даже зная состояние всей системы из двух частиц, нельзя сделать определённое заключение о состоянии каждой из них.

По его словам, у запутанных частиц нет индивидуальных свойств – только общие. С математической точки зрения они неразрывно связаны, даже если находятся в совершенно разных местах.

В ходе эксперимента атомы облучали сверхмощными высокочастотными лазерными импульсами. Под их воздействием один электрон покидал атом. При достаточной силе излучения второй электрон тоже подвергался влиянию: переходил на более высокий энергетический уровень и начинал вращаться вокруг ядра по другой орбите.

Исследователи обнаружили удивительную связь: момент "рождения" улетевшего электрона – то есть время, когда он покинул атом – оказался квантово запутан с состоянием оставшегося электрона.

Профессор Бургдёрфер отмечает парадоксальный факт: сам электрон "не знает", когда именно он покинул атом. Он находится в квантовой суперпозиции разных состояний – словно это произошло одновременно и раньше, и позже.

Главный вывод: если оставшийся электрон находится в состоянии высокой энергии, то свободный электрон, вероятнее всего, покинул атом раньше. Если же энергия оставшегося электрона низкая, то "рождение" свободного электрона произошло позже – в среднем через 232 аттосекунды.

Для справки: аттосекунда – это одна миллиардная миллиардной доли секунды. Несмотря на такой ничтожно малый промежуток времени, эти различия можно не только рассчитать, но и измерить экспериментально.

Профессор Ива Брезинова, соавтор исследования, поясняет: электрон не просто выпрыгивает из атома. Он похож на волну, которая как бы "выплёскивается" из атома, и этот процесс занимает определённое время. Именно в этой фазе возникает запутанность, которую позже можно точно измерить, наблюдая за обоими электронами.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Сейчас учёные ведут переговоры с другими исследовательскими группами, которые хотят экспериментально подтвердить существование этого явления.