Физики впервые напрямую проверили один из краеугольных постулатов квантовой механики, который Ричард Фейнман предложил еще в 1948 году. Это знаменитый «интеграл по траекториям» — метод, который десятилетиями лежал в основе теоретических расчетов, но до сих пор не имел прямого экспериментального подтверждения.
Суть идеи Фейнмана в том, что для предсказания наиболее вероятного пути квантовой частицы между двумя точками нужно особым образом сложить все мыслимые траектории, которые она могла бы пройти. Этот математический прием давно стал стандартным инструментом в учебниках и рабочих буднях физиков, однако проверить его «вживую» мешала сама природа квантового мира — любое взаимодействие с частицей меняет ее состояние.
Группа исследователей под руководством Ши-Ляна Чжу смогла обойти это препятствие. Они использовали фотоны и методику, основанную на измерении так называемых пропагаторов — величин, которые описывают, как меняется состояние частицы при перемещении. В предыдущих работах ученые уже научились восстанавливать эти пропагаторы через измерение свойств света, например поляризации.
В новом эксперименте они пошли дальше. Измерив пять последовательных пропагаторов для одного фотона, проходящего через запутанную оптическую схему из зеркал, линз и кристаллов, команда восстановила огромное множество возможных траекторий — в общей сложности 1 419 857 вариантов. Все эти пути были подставлены в формулу Фейнмана, и расчетное предсказание совпало с тем, что фотон делал в реальности.
Сам руководитель работы признает, что результат не был неожиданным: слишком успешно метод работал все эти десятилетия. Однако, по его словам, увидеть, как абстрактное «суммирование по всем путям» превращается в данные, было поразительно.
Технически эксперимент оказался крайне сложным. Огромное количество измеренных траекторий делало результат уязвимым для накопления ошибок и шумов — пришлось существенно повысить точность всех этапов установки. Ссама по себе достигнутая точность является серьезным достижением. Если бы данные разошлись с теорией, это поставило бы под сомнение весь текущий квантово-физический фундамент, но этого не случилось.
Теперь ученые планируют усложнить тесты, например, проверить, как работает интеграл по траекториям при прохождении фотонов не через воздух, а через вещество, а также надеются, что их экспериментальный подход смогут адаптировать специалисты из других областей.
Читайте также:
Уточнение магнитного поля Млечного Пути приближает нас к пониманию Вселенной