Край квантового мира достиг размеров вируса: физики создали самый массивный квантовый объект в истории
Принцип суперпозиции лежит в основе квантовой теории, но в нашем повседневном опыте он отсутствует. Макроскопические объекты всегда имеют четко определенные координаты. Группа исследователей из Венского университета экспериментально доказала, что границы квантового мира простираются гораздо дальше, чем считалось ранее. В статье, опубликованной в журнале Nature в январе 2026 года, физики представили результаты эксперимента, в котором металлические наночастицы, состоящие из тысяч атомов, продемонстрировали волновые свойства.
Проблема масштабирования квантовых законов
В 1923 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме. Согласно этой концепции, любой материальный объект, обладающий импульсом, характеризуется определенной длиной волны. Для легких частиц эта длина волны достаточно велика, чтобы её можно было легко зарегистрировать в экспериментах по дифракции и интерференции. Но с увеличением массы длина волны стремительно уменьшается.
Для макроскопических тел эта величина становится настолько ничтожной, что волновые свойства перестают проявляться в наблюдаемых явлениях. Кроме того, сложные объекты неизбежно взаимодействуют с тепловым излучением и молекулами газа, что приводит к процессу декогеренции — разрушению хрупкого квантового состояния.
В научном сообществе существуют две основные точки зрения на эту проблему. Сторонники стандартной квантовой механики утверждают, что уравнение Шрёдингера универсально и применимо к объектам любой массы, если удастся изолировать их от внешних воздействий. Их оппоненты разрабатывают теории макрореализма (или модели объективного коллапса), предполагая, что фундаментальные законы физики меняются на определенном масштабе, принудительно локализуя тяжелые объекты в пространстве. Эксперимент венской группы стал строгой проверкой этих гипотез.
Технический вызов: Эксперимент MUSCLE
Чтобы проверить, сохраняются ли квантовые свойства у тяжелых объектов, ученые создали экспериментальную платформу MUSCLE (Multiscale Cluster Interference). Объектом исследования стали кластеры натрия — агрегаты, состоящие из множества атомов металла. В ходе эксперимента удалось работать с частицами массой до 170 000 атомных единиц массы (дальтон), что соответствует примерно 7000-8000 атомов в одном кластере.
Главная сложность заключалась в регистрации волновых свойств. Расчетная длина волны де Бройля для таких массивных кластеров составляет всего 10-20 фемтометров. Это значение меньше размера атомного ядра и на порядки меньше размера самого кластера. Чтобы наблюдать интерференцию (наложение волн друг на друга), необходима дифракционная решетка с периодом, сопоставимым с параметрами волны.
Использование материальных щелей или решеток (как в классическом опыте Юнга) здесь невозможно по двум причинам. Во-первых, создать механическую структуру с нанометровой точностью крайне сложно. Во-вторых, медленные металлические кластеры будут оседать на материальных перегородках из-за действия сил Ван-дер-Ваальса, что приведет к засорению установки и потере сигнала.
Оптические линейки для волн материи
Исследователи решили проблему, отказавшись от материальных препятствий в пользу оптических полей. Установка представляет собой интерферометр Тальбота-Лау, работающий в ближнем поле. В качестве дифракционных элементов используются три стоячие волны ультрафиолетового лазера с длиной волны 266 нанометров.
Процесс эксперимента выглядит следующим образом:
- Генерация пучка: в специальной камере натрий испаряется и затем резко охлаждается в потоке инертного газа (смесь гелия и аргона). Это приводит к конденсации атомов в крупные холодные кластеры.
- Подготовка когерентности: пучок частиц направляется в первую световую решетку. Здесь происходит пространственная фильтрация: взаимодействие с интенсивным лазерным светом ионизирует часть кластеров или меняет их импульс, формируя упорядоченный поток с необходимыми характеристиками поперечной когерентности.
- Фазовая модуляция: вторая световая решетка действует как фазовый элемент. Благодаря эффекту поляризуемости нейтральные кластеры испытывают воздействие электрического поля света. Это не меняет их траекторию грубым образом, но вносит периодические изменения в фазу их волновой функции.
- Интерференция и детекция: на пути к третьей решетке происходит самовоспроизведение периодической структуры пучка (эффект Тальбота). Третья решетка работает как сканирующая маска: меняя её положение, ученые измеряют количество прошедших частиц.
Если бы кластеры двигались как классические частицы, детектор показал бы равномерное распределение или простую тень. Однако приборы зафиксировали строго периодическое колебание интенсивности потока — интерференционную картину. Это однозначно доказывает, что массивные кластеры натрия проходили через установку не по одной конкретной траектории, а находясь в суперпозиции путей. Центр масс каждого кластера оказался делокализован (размазан) в пространстве на расстояние, превышающее его собственный диаметр более чем в 10 раз.
Рекордная макроскопичность и проверка теорий
Для количественной оценки «квантовости» эксперимента в физике используется параметр макроскопичности (обозначаемый греческой буквой мю). Это логарифмическая величина, которая характеризует, насколько эффективно эксперимент позволяет исключить альтернативные теории, предполагающие нарушение законов квантовой механики для больших объектов.
В предыдущих экспериментах с крупными органическими молекулами значение параметра мю достигало 12-14 единиц. В эксперименте MUSCLE исследователи получили значение 15,5. Это увеличение более чем на порядок величины.
Такой результат накладывает жесткие ограничения на класс теорий макрореализма. Экспериментальные данные подтверждают, что стандартное уравнение Шрёдингера корректно описывает динамику объектов в диапазоне масс, сопоставимом с массой крупных биологических молекул. Никаких отклонений, указывающих на спонтанный коллапс волновой функции под действием гравитации или массы, обнаружено не было.
Значение для науки и технологий
Демонстрация квантовой суперпозиции для объектов массой 170 килодальтон имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Этот диапазон масс уже перекрывает массу некоторых функциональных биологических единиц. Например, масса кластеров в эксперименте превышает массу вироида кокосовой пальмы (81 кДа) и сопоставима с массой антител типа иммуноглобулина G.
Это открывает перспективу проведения интерференционных экспериментов с живой материей — вирусами и сложными белковыми комплексами. Изучение таких объектов в состоянии квантовой делокализации позволит исследовать их электрические и магнитные свойства с точностью, недоступной для классических методов спектроскопии. Делокализованная частица чрезвычайно чувствительна к внешним силовым полям, что делает подобные интерферометры перспективными датчиками для изучения фундаментальных взаимодействий.
Кроме того, авторы работы указывают на возможность дальнейшего масштабирования. Основным ограничением сейчас является скорость частиц. Если замедлить пучок кластеров до скоростей порядка 25 метров в секунду (в текущем эксперименте скорость составляла около 160 м/с), это увеличит длину волны де Бройля и позволит наблюдать интерференцию для объектов массой свыше одного миллиона дальтон.
Таким образом, физики методично отодвигают границу применимости квантовой теории. На данный момент эксперимент подтверждает: природа материи остается волновой даже при переходе к масштабам, где объекты состоят из тысяч атомов. Классическая реальность с её однозначно определенными координатами возникает не в результате фундаментального запрета, а как следствие сложности изоляции системы от внешнего мира.
Источник:Nature
