Квантовые «кошки-мышки»: Атомы воссоздают отношения хищника и жертвы?
В мире квантовой физики, где законы классической механики перестают работать, происходят поистине удивительные вещи. Частицы могут быть одновременно в нескольких местах, проходить сквозь стены и запутываться друг с другом на огромных расстояниях. Но, как оказалось, даже в этом странном мире есть место для борьбы за выживание, пусть и на микроскопическом уровне. Недавно группа исследователей из Базельского университета представила результаты своей работы, показывающие, что квантовые системы могут демонстрировать антагонистические взаимодействия, напоминающие отношения хищника и жертвы.
Законы притяжения и отталкивания: что-то пошло не так?
Вспомните школьные уроки физики: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Просто, понятно и, кажется, незыблемо. Но если копнуть глубже, то выясняется, что эта взаимность не всегда соблюдается. В мире живой природы, например, лиса стремится поймать кролика, а кролик делает все возможное, чтобы избежать этой участи. Это одностороннее притяжение-отталкивание — классический пример антагонистических отношений. А что, если подобное можно наблюдать и в квантовом мире?
Именно этим вопросом задались базельские физики. Они предположили, что, создав определенные условия, можно заставить квантовые частицы взаимодействовать подобно лисе и кролику. Задача оказалась не из легких, ведь большинство уравнений квантовой механики предполагает взаимное влияние между частицами.
Открытая система: ключ к антагонизму
Для решения этой проблемы исследователи обратились к так называемым открытым квантовым системам. В отличие от закрытых систем, изолированных от внешнего мира, открытые системы постоянно обмениваются энергией с окружающей средой. Представьте себе аквариум, в который постоянно добавляют и сливают воду. Такая динамика позволяет системе находиться в неравновесном состоянии, что открывает возможности для необычных явлений.
В случае с квантовыми частицами, роль «внешнего источника» играет, например, лазерное излучение. Под его воздействием частицы становятся «активными» и начинают взаимодействовать друг с другом. Однако простого облучения недостаточно. Необходимо, чтобы частицы влияли друг на друга определенным, антагонистическим образом.
«Поначалу мы не были уверены, что это вообще возможно, — рассказывает Маттео Брунелли, один из авторов исследования. — Потребовались сложные вычисления, чтобы убедиться в этом.»
Квантовые «кошки-мышки»: к чему это приводит?
И вот, после долгих расчетов, результат был получен: квантовые частицы действительно могут вести себя как хищники и жертвы. Но что это означает на практике? Во-первых, такая система никогда не достигает статического состояния. Частицы находятся в постоянном движении, погоня никогда не заканчивается.
Во-вторых, это может приводить к возникновению так называемых временных кристаллов. В отличие от обычных кристаллов, которые обладают упорядоченной структурой в пространстве, временные кристаллы демонстрируют упорядоченность во времени. Представьте себе маятник, который постоянно качается из стороны в сторону, поддерживая определенный ритм без какого-либо внешнего воздействия. По сути, это и есть временной кристалл — система, которая спонтанно генерирует периодическое движение.
Практическое применение: от теории к реальности
Но как реализовать подобную систему на практике? Исследователи предлагают использовать охлажденные атомы, постоянно облучаемые лазерным светом. Две группы таких атомов связываются друг с другом с помощью специальных волноводов (аналогов оптоволоконных кабелей). Причем, волноводы устроены таким образом, что свет может распространяться только в одном направлении: из одной группы атомов в другую и наоборот.
В результате возникает антагонистическое взаимодействие между фазами атомных спинов (их можно представить как маленькие вращающиеся стрелки). Фазы одной группы атомов стремятся выровняться с фазами другой группы, а фазы другой группы, наоборот, пытаются максимально от них отличаться. В итоге, атомы оказываются в состоянии непрерывной «гонки», постоянно меняя свое состояние.
Перспективы: от квантовых часов до новых материалов
Это исследование — лишь первый шаг на пути к пониманию и управлению антагонистическими квантовыми взаимодействиями. Однако, как отмечают сами ученые, уже сейчас можно говорить о потенциальных практических применениях. В частности, подобные системы могут быть использованы для создания более точных атомных часов, а также для разработки новых материалов с уникальными свойствами.
Возможно, в будущем, манипулируя квантовыми «хищниками» и «жертвами», мы научимся создавать новые технологии, основанные на законах квантовой механики, но при этом имитирующие динамику живой природы. И тогда мир квантовой физики станет еще более удивительным и захватывающим.