Фундаментальное открытие? Атомное ядро вращается по законам квантового «Колеса Фортуны»

Представьте себе обычное колесо фортуны, стрелка которого, вращаясь, неизбежно останавливается на одном из секторов. Казалось бы, причём тут квантовая механика, описывающая мир невообразимо малых частиц, живущих по своим, зачастую контринтуитивным законам? Однако, группа учёных из Сингапура и Австралии сумела провести остроумную аналогию и доказать, что даже вращение атомного ядра подчиняется причудам квантового мира.

Долгое время считалось, что поведение вращающихся ядер атомов — например, тех, что «работают» в аппаратах МРТ — вполне укладывается в рамки классической физики. Вращается себе ядро, создаёт магнитное поле… Никакой квантовой «магии». Но так ли это на самом деле?

От математической абстракции к реальному эксперименту

Всё началось с… забытой статьи. Профессор Валерио Скарани из Национального университета Сингапура, специалист по квантовой физике, наткнулся на работу математика Бориса Цирельсона, опубликованную ещё в начале 2000-х. Цирельсон исследовал вероятности обнаружения частиц в разных точках пространства. Скарани же задумался: а что, если применить эти идеи к вращению отдельных квантовых объектов, например, атомных ядер? Может ли вращение ядра, вопреки устоявшимся представлениям, демонстрировать квантовые свойства?

Этот вопрос не давал покоя профессору и его аспиранту Зау Лин Хту. В течение нескольких лет они разрабатывали теоретическую модель, которая предсказывала: в особых состояниях вращающееся ядро должно вести себя не так, как предписывает классическая физика.

Но теория — это одно, а реальность — совсем другое. Для проверки гипотезы требовался сложнейший эксперимент, способный с ювелирной точностью отслеживать поведение отдельно взятого атома. И тут на помощь пришла команда профессора Андреа Морелло из Университета Нового Южного Уэльса, обладающая необходимым опытом и оборудованием.

Семь измерений одного вращения

Учёные выбрали ядро атома сурьмы. Почему именно сурьмы? Дело в том, что ядра некоторых элементов обладают особыми свойствами, которые делают их «удобными» для подобных экспериментов. Ядро сурьмы заставили вращаться, и за каждым его оборотом пристально «наблюдали», проводя по семь измерений.

Вернёмся к аналогии с колесом фортуны. Если бы ядро подчинялось классическим законам, то стрелка нашего воображаемого колеса, поделённого на семь секторов, указывала бы «вправо» (условно говоря) либо три, либо четыре раза из семи. Это — предел, установленный классической физикой.

Но квантовая теория предсказывала нечто иное. В том самом «особом» состоянии, которое стремились создать исследователи, вероятность «выпадения» нужного направления должна была быть выше.

Разумеется, речь идёт о крошечных, едва заметных отклонениях. Чтобы их зафиксировать, измерения должны быть предельно точными, а любые посторонние «шумы» — исключены.

Команда профессора Морелло, в которую вошли аспирант Арьен Ваартжес и доктор Мартин Нуриццо, блестяще справилась с этой задачей. Эксперимент подтвердил: квантовая теория верна! Вращающееся ядро действительно «выдало» результат, превышающий классический предел.

Больше, чем просто красивая идея

«Это фундаментальное открытие», — подчеркивает профессор Морелло. — «Раньше считалось, что наблюдение за прецессией (вращением) ядерного спина в магнитном поле не позволяет определить, является ли он квантовым объектом. Мы же показали, что это возможно».

Конечно, речь не идёт о том, что любое вращающееся ядро ведёт себя «по-квантовому». Для этого нужны особые ядра, особые состояния («состояния кота Шрёдингера», если быть совсем точным) и очень сложные методы наблюдения.

Но сам факт того, что учёным удалось «поймать» квантовый эффект в таком, казалось бы, классическом явлении, как вращение ядра, — это настоящий прорыв.

«В научном мире этот эксперимент, без сомнения, привлечет большое внимание», — говорит профессор Скарани. — «Создание таких специфических состояний — сложнейшая задача. Однако, эти состояния, вероятно, сыграют важную роль в разработке квантовых компьютеров. И наш метод может оказаться очень полезным для проверки того, удалось ли создать такое состояние».

2025 год объявлен ООН Международным годом квантовой науки и технологий. И открытие, сделанное сингапурскими и австралийскими физиками, — прекрасная иллюстрация того, что даже спустя столетие после зарождения квантовой механики эта удивительная наука продолжает преподносить нам сюрпризы и заставляет по-новому взглянуть на мир. Порой, для этого достаточно лишь немного изменить угол зрения и… раскрутить «колесо фортуны» на квантовом уровне.