Новости физики: Физика — последние новости сегодня

Физики увидели волны-убийцы в бассейне со стоячими волнами

Физика

13:45
05 Окт. 2022

Сложность
6.9

Yuchen He et al. / Physical Review Letters, 2022

Физики теоретически и экспериментально исследовали возникновение перегриновских солитонов в стоячих волнах на поверхности воды. Для этого физики запускали волны в длинном бассейне, одна из стенок которого работала как отражающее зеркало. Полученные результаты показывают, что океанские волны-убийцы могут возникать за счет нелинейных эффектов при взаимодействии пересекающихся волн. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Волновые явления универсальны и встречаются в большинстве разделов физики. Поэтому ученые исследуют их в первую очередь математически, адаптируя свои решения к той или иной области: механике, гидродинамике, оптике или акустике. Особый интерес представляют ситуации, когда сложение множества отдельных волн может синергетически усиливаться за счет множественной интерференции. Обычно это приводит к образованию короткоживущих волн с аномально большой амплитудой. В физике океана такие волны называют волнами-убийцами и тщательно изучают теоретически и экспериментально в силу их опасности для судоходства и прибрежного хозяйства.

Впрочем, интерференция нескольких волн — это не единственный возможный механизм образования волн-убийц. Математикам давно известно, что в нелинейных условиях волны могут формировать солитоны, то есть самоподдерживающиеся волновые пакеты, по поведению напоминающие частицы. Решая нелинейное волновое уравнение Шрёдингера, Хауэлл Перегрин в 1983 году нашел аналитическое решение, которое описывает солитон (бризер Перегрина), по своим свойствам очень похожий на волну-убийцу: он обладает большой амплитудой, возникает на короткое время, а затем исчезает.

Нелинейный подход к этой проблеме, однако, обычно ограничивается однонаправленными узкополосными волнами. Чтобы его расширить, группа физиков из Австралии, России и Японии при участии Алексея Слюняева (Alexey Slunyaev) из Высшей школы экономики теоретически и экспериментально исследовала нелинейную фокусировку в системе встречных волн. В природе такая ситуация может возникать, например, когда направление морского течения противоположно направлению ветра. В частности, их несонаправленность ответственна за формирование «квадратных» морских волн. Возмущая воду в длинном бассейне с отражающим концом, ученые показали, что рождающийся таким образом стоячий перегриновский солитон хорошо описывается с помощью системой связанных нелинейных уравнений Шрёдингера.

Бассейн, использованный в эксперименте, представлял собой 30-метровый резервуар шириной в один метр, заполненный водой до 0,75 метра. У физиков был всего один поршневой волновой генератор, установленный с одного конца резервуара, поэтому для создания стоячих волн они использовали стену на другом конце в качестве отражающего зеркала. Исследователи также были ограниченны всего восемью волномерными датчиками, однако высокая степень повторяемости эксперимента позволила добиться хорошего пространственного разрешения с помощью установки их в разных местах при каждой итерации.

Схематическое изображение экспериментальной установки

Yuchen He et al. / Physical Review Letters, 2022

Поделиться

Поскольку физиков интересовало взаимодействие перегриновского солитона со встречной регулярной волной, перед его генерацией они запускали обычную волну и ждали, пока ее отражение доберется назад. Используя граничные условия для бризера Перегрина, найденные ранее их коллегами, авторы запускали его длинный вариант и смотрели на результат взаимодействия. Он представлял собой солитон, выраженный через модуляцию стоячих колебаний, распространяющуюся вдоль бассейна. Ученые подбирали граничные условия таким образом, чтобы максимум модуляции приходился на середину бассейна. Результаты измерений в 184 итерациях для двух параметров крутизны бризера они сравнивали с предсказаниями, выполненными с помощью решений системы нелинейных уравнений.

Сравнение результатов эксперимента с различной крутизной солитона ak (сверху) с решениями системы нелинейных уравнений Шрёдингера (снизу)

Yuchen He et al. / Physical Review Letters, 2022

Поделиться

Сравнение показало, что теория очень хорошо описывает экспериментальные наблюдения. В обоих случаях стоячий бризер Перегрина распространяется без признаков распада и усиливает свою амплитуду ближе к середине резервуара. Согласие обнаружилось и в спектральной динамике, а именно в эволюции основной гармоники и удвоенной гармоники, которая возникает из-за нелинейных эффектов.

Авторы дополнили свое исследование численным решением уравнений Эйлера, которое учитывало высокие (до семи) порядки взаимодействия волн. Моделирование с сильной нелинейностью также воспроизвело основную картину, увиденную в опыте. Но в отличие от слабонелинейной схемы оно показало несколько более быстрое движение растущей модуляции и заметно большее время фокусировки. Кроме того, пик фокусировки обладал незначительной асимметрией. Авторы предполагают, что исследованное ими явление можно будет обнаружить и в других средах, например, нелинейных волноводах или плазме.

Помимо волн-убийц, которые возникают в океанах спонтанно, опасность представляют цунами — волны, вызванные смещением большого объема водной массы. Их также изучают в бассейнах. Про одно из таких исследований мы недавно рассказывали.

Марат Хамадеев

Педагоги физики, объединяйтесь! | Новости портала «Российское образование»

Физика остается одной из самых сложных, но при этом увлекательных школьных дисциплин. Учителям физики нужно не только преподать материал из учебника, но и пробудить у ребят интерес к изучаемой науке и окружающему миру. Но как же педагогам привлечь внимание детей к предмету, который может отпугнуть школьников обилием формул и схем? Для этого учителям необходимо сообща придумывать новые подходы и развивать существующие методики.

В России с 15 по 17 августа в Парке науки и искусства федеральной территории «Сириус» проходил Всероссийский съезд учителей физики. На нем обсудили развитие современного физического образования, расширение олимпиадного движения, дополнительные программы по физике в школах, подготовку и переподготовку учителей по предмету и многие другие вопросы. Кроме того, по итогам съезда была создана Общероссийская общественная организация учителей физики.

Организация позволит педагогам из разных регионов взаимодействовать, делиться опытом, а также участвовать во всероссийских проектах и курсах повышения квалификации. Итоги съезда и направления развития ассоциации физиков обсудили ведущие эксперты в эфире онлайн-программы «Образовательная среда».

 
Как изменится программа по физике

«Съезд в первую очередь решил, что нужно обновлять программу по физике – мы над этим работаем, затем – поддерживать учителей и оказывать целевую поддержку поверх программы тематической вертикали подготовки по физике. Я уверен, что сейчас у нас пойдет большой подъем в преподавании физики. В ближайшие два-три года мы увидим результат», – сказал Иван Ященко, научный руководитель Центра педагогического мастерства Москвы, заведующий кафедрой инновационной педагогики МФТИ.

Особое внимание будет уделяться школьной программе. ФГОС, который приняли в прошлом году, позволяет на уровне 7–9-х классов разделять программу на базовый и углубленный уровень. По базовой физике программа уже принята, по профильному предмету опубликован только предварительный вариант – финальная версия будет утверждена уже в конце августа.

Однако съезд предлагает также рассмотреть варианты альтернативной программы, как отметила Валерия Черникова, преподаватель физики лицея «Воробьевы горы» и школы № 1589, тренер сборной Москвы по физике.

Сейчас программа по физике устроена по принципу «3+2», то есть ребята три года изучают предмет обзорно, а в старшей школе повторяют пройденные темы на углубленном уровне.

«Этих двух лет нам недостаточно, чтобы на более углубленном уровне пройти всю физику. Поэтому съезд предлагает сделать альтернативную программу для детей, которые идут по «углубленке», – объяснила Валерия Черникова.

Она рассказала, что педагоги предлагают составить программу «2+3», которая позволит проходить обзорный курс за первые два года, весь девятый класс полностью посвятить механике, а десятый класс начать уже с термодинамики.

«В чем отличие базовой и углубленной программы? Это не дополнительная дифференциация тем, не принципиальное их различие, а дополнение часов – на рассмотрение сложных тем или решение задач. С точки зрения содержательных элементов имеется порядка десяти отличий», – отметил также Рафаэль Файрушин, учитель физики гимназии № 3 г. Самары, абсолютный победитель городского этапа конкурса профессионального мастерства «Учитель года Самарской области – 2020».

Кроме того, сейчас учителя предлагают проводить образовательные курсы, связанные с физикой, уже для детей 5–6-х классов. Речь идет не о попытке заставить их изучать программу старших классов, а о возможности заинтересовать ребят окружающим миром и физическими явлениями. Это позволит к 7-му классу развить у них интерес к дисциплине, вовлечь в изучение физики.

 
Как развиваться педагогам

У каждого педагога есть свой рецепт интересного урока. Однако есть и более универсальные методы, которые может взять на заметку учитель. Например, заинтересовать школьников помогут онлайн-материалы. С их помощью педагоги смогут сделать занятия более увлекательными и показать сложные опыты ребятам на базе любой школы.

Рафаэль Файрушин обратил внимание на то, что есть довольно много ресурсов, которые помогут включить в урочную деятельность эксперименты и дополнительные материалы. Например, обучающиеся могут самостоятельно проходить «Сириус.Курсы». Также полезными будут материалы Заочной физико-технической школы.  

Преподаватели должны всегда учиться – точно так же, как и дети. Поэтому сейчас для учителей России разрабатывается большое количество курсов повышения квалификации и образовательных проектов.

Кроме того, сейчас учителя могут посмотреть записи трансляций, которые проходили в рамках Всероссийского съезда учителей физики на сайте проекта, и применить советы ведущих экспертов на практике.

Курсы повышения квалификации для педагогов проводит и Образовательный центр «Сириус». На каждую программу отбирается от 50 до 75  человек, курсы проводятся два раза в год.

Повысить квалификацию учителя смогут также, записавшись на курсы кафедры инновационной педагогики МФТИ. Здесь уже занятия может пройти любой желающий педагог – для этого ему необходимо записаться на курс. Сейчас занятия проходят преимущественно онлайн.

Каждый курс включает три модуля, после каждого из которых учителя ждет тестирование. Материалы преподаватели смогут изучать в вечернее время. Длительность курса – более 100 часов.

Мы учимся вместе с детьми

Проекты для педагогов и школьников активно готовят и вузы. Например, МГУ организует Летнюю школу учителей физики, экскурсии для учеников по лабораториям, в том числе в онлайн-формате, чтобы к ним мог присоединиться каждый желающий, различные онлайн-лекции и т. д. 

Дополнительные материалы по физике доступны на сайте проекта «Физтех регионам». Здесь учителя найдут и видеоматериалы, и методические материалы. Видео записаны не только на каждую тему программы – учителя смогут воспользоваться также дополнительным контентом. Он, в свою очередь, позволит пройти курс экспериментальной физики, узнать о культуре построения графиков, а также обратить особое внимание на место математики в преподавании физики.

«На сайте проекта есть много видеороликов для школьников с 7-го по 11-й класс. Мы учимся вместе с детьми, поэтому там есть много полезных материалов и для детей, и для педагогов. Коллеги рассказывают про наиболее сложные темы. Материалы эти будут также полезны для подготовки к ВСОШ», – сказала Валерия Черникова.

Ассоциация учителей физики ищет единомышленников

Создание Общественной организации учителей физики позволит вывести преподавание дисциплины на новый уровень. Учителя, работая сообща, смогут вовремя выявлять проблемы и оперативно их решать.

«Когда сообщество работает конструктивно, то меняется и совершенствуется в том числе и содержание всероссийских проверочных работ, стандартов. Действительно, хорошая эффективная работа экспертного сообщества – это очень важно», – отметил Иван Ященко.

Он рассказал, что после съезда учителей математики в России была создана ассоциация педагогов. Объединение сейчас активно взаимодействует и с Минпросвещения России, и с Рособрнадзором. Так и объединение учителей физики сможет совершенствовать преподавание предмета в школах, в том числе работая с органами исполнительной власти.

В развитии ассоциации учителей физики участвуют представители МФТИ, МГУ, МИФИ, Курчатовского института, школ Петербурга, Екатеринбурга, Астрахани и т. д. – география проекта достаточно широкая.

Сейчас речь идет о создании региональных отделений организации. Это очень важно для межрегионального контакта. Часто регионы работают автономно и даже не догадываются о проблемах, которые существуют в других субъектах.

Однако совместно их можно было бы решить гораздо быстрее и, более того, избежать развития таких же сценариев в других школах.

К проекту подключились уже более 50 регионов. В ближайшее время будет запущен сайт общественной организации. Уже сейчас работает почта, куда могут писать педагоги, которые также хотят войти в объединение учителей физики. Им расскажут, как присоединиться к уже существующему региональному отделению или создать его самостоятельно.

 

Объединившись, педагоги смогут воспитать новое поколение ученых, конструкторов, инженеров. Новый подход позволит ребятам как можно раньше открыть для себя физические науки: кто-то на уроках получит ответы на интересующие вопросы, а для кого-то физика станет первым шагом к профессии. Так, будущие ученые уже со школьной скамьи будут готовиться к новым открытиям и, может, даже рисовать на полях тетрадей схемы своих будущих изобретений.

физики. Все новости физики на сайте Korrespondent.net

Ученые нашли частицу, которая существовала сразу после Большого взрыва

Ученые годами не могли ее исследовать, так как она не подчиняется современным законам физики и очень быстро исчезает.

Новости космоса — 24 января 2022, 17:36

Рукопись Эйнштейна ушла с молотка за рекордную сумму

Это одна из двух сохранившихся до этого времени рукописей Эйнштейна, в которой он развивает свою теорию относительности.

Новости науки — 24 ноября 2021, 10:54

Физики создали невидимую материю

Цель проекта — решить одну из главных проблем квантовых компьютеров — порчу кубитов с помощью прозрачного газа.

Новости науки — 22 ноября 2021, 11:42

Темную материю контролируют особые силы в другом измерении – ученые

Физики предположили, что существует четвертое измерение, о котором знают только «темные силы». Эта теория может объяснить, почему темную материю до сих пор не удалось обнаружить и изучить.

Новости науки — 3 июня 2021, 18:02

Темная материя «подала сигнал»

Физики зафиксировали потенциальный сигнал темной материи. Эксперимент проходит в специальной лаборатории, размещенной глубоко под землей.

Новости науки — 13 октября 2020, 16:16

Ученые получили $3 млн за снимок черной дыры

Участники проекта Event Horizon Telescope выиграли престижную и самую дорогостоящую в научном мире премию.

Новости науки — 6 сентября 2019, 02:36

В РФ умер нобелевский лауреат по физике

Жорес Алферов был единственным из проживающих на данный момент в России лауреатов Нобелевской премии по физике.

Новости России — 2 марта 2019, 11:27

В Пекине умер изобретатель китайской водородной бомбы

В Пекине 16 января в возрасте 93 лет скончался известный физик-ядерщик, изобретатель китайской водородной бомбы Юй Минь.

Новости мира — 16 января 2019, 12:37

Памяти Стивена Хокинга

Ушёл из жизни Великий Человек и гениальный физик современности Стивен Хокинг.

Новости науки — 14 марта 2018, 14:36

Умер физик Стивен Хокинг

93

Всемирно известный британский физик-теоретик Стивен Уильям Хокинг скончался на 77-м году жизни. О смерти ученого сообщили представители его семьи.

Новости мира — 14 марта 2018, 06:12

Ученые создали прототип квантовых денег

137

Копирование таких денег невозможно без согласования с владельцем.

Новости науки — 24 апреля 2016, 22:22

Ученые предложили новую теорию времени

113

Теория заставляет перестроить базовые уравнения квантовой механики и само определение времени.

Новости науки — 3 февраля 2016, 19:15

В Германии протестировали термоядерный реактор

В ходе испытаний гелиевая плазма была разогрета до температуры около миллиона градусов по Цельсию.

Наука и медицина — 14 декабря 2015, 11:01

Физики посчитали одну из «проблем тысячелетия» неразрешимой

Автору решения этой задачи Математический институт Клэя обещает один миллион долларов.

Наука и медицина — 10 декабря 2015, 22:58

Ученые обнаружили самую быструю частицу нейтрино

Нейтрино образуются в результате распада радиоактивных элементов

Наука и медицина — 8 августа 2015, 06:31

СМИ: Российского физика подозревают в шпионаже в ФРГ

Ученый попал в поле зрения спецслужб пару лет назад.

Новости мира — 25 июля 2015, 07:18

Физики сумели создать самую холодную молекулу в мире

Ученые намерены приблизиться к наблюдению квантовых эффектов, таких как сверхпроводимость или сверхтекучесть.

Новости науки — 18 июня 2015, 01:00

Физики установили новый рекорд в точности атомных часов

Новая версия атомных часов на базе стронция будет работать точно дольше.

Наука и медицина — 21 апреля 2015, 22:00

Ученые впервые скрутили свет в ленту Мебиуса

Оптическую волну удалось закрутить при помощи особой поляризации света.

Новости науки — 30 января 2015, 13:52

Как философия превратилась в физику, а реальность в информацию

Питер Эванс, Разговор

Джон Белл в своем офисе в ЦЕРН в Швейцарии. Кредит: ЦЕРН

Нобелевская премия по физике в этом году была присуждена «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».

Чтобы понять, что это значит и почему эта работа важна, нам нужно понять, как эти эксперименты разрешили давние споры между физиками. И ключевым игроком в этих дебатах был ирландский физик по имени Джон Белл.

В 1960-х Белл понял, как перевести философский вопрос о природе реальности в физический вопрос, на который могла бы ответить наука, — и попутно разрушил различие между тем, что мы знаем о мире, и тем, как мир на самом деле .

Квантовая запутанность

Мы знаем, что у квантовых объектов есть свойства, которые мы обычно не приписываем объектам нашей обычной жизни. Иногда свет — это волна, иногда — частица. Наш холодильник так не делает.

Пытаясь объяснить такое необычное поведение, мы можем представить себе два общих типа объяснений. Одна из возможностей заключается в том, что мы ясно воспринимаем квантовый мир таким, какой он есть, и он просто необычен. Другая возможность заключается в том, что квантовый мир точно такой же, как обычный мир, который мы знаем и любим, но наше представление о нем искажено, поэтому мы не можем ясно видеть квантовую реальность такой, какая она есть.

В первые десятилетия 20-го века физики разделились во мнениях относительно того, какое объяснение было правильным. Среди тех, кто считал квантовый мир просто необычным, были такие фигуры, как Вернер Гейзенберг и Нильс Бор. Среди тех, кто думал, что квантовый мир должен быть таким же, как обычный мир, а наше представление о нем просто туманно, были Альберт Эйнштейн и Эрвин Шредингер.

В основе этого подразделения лежит необычное предсказание квантовой теории. Согласно этой теории, свойства некоторых взаимодействующих квантовых систем остаются зависимыми друг от друга, даже если системы разнесены на большое расстояние.

В 1935 году, в том же году, когда он разработал свой знаменитый мысленный эксперимент с кошкой, пойманной в ящик, Шредингер ввел термин «запутанность» для этого явления. Он утверждал, что абсурдно полагать, что мир устроен таким образом.

Проблема с запутанностью

Если запутанные квантовые системы действительно остаются связанными, даже когда они разделены большими расстояниями, казалось бы, они каким-то образом мгновенно сообщаются друг с другом. Но такая связь недопустима согласно теории относительности Эйнштейна. Эйнштейн назвал эту идею «призрачным действием на расстоянии».

В 1935 году Эйнштейн вместе с двумя коллегами разработал мысленный эксперимент, который показал, что квантовая механика не может дать нам полную картину запутанности. Они думали, что в мире должно быть что-то еще, чего мы пока не видим.

Но со временем вопрос о том, как интерпретировать квантовую теорию, стал академической сноской. Вопрос казался слишком философским, и в 1940-х годах многие из самых ярких умов квантовой физики были заняты использованием теории для очень практического проекта: создания атомной бомбы.

Только в 1960-х годах, когда ирландский физик Джон Белл обратил внимание на проблему запутанности, научное сообщество осознало, что на этот, казалось бы, философский вопрос может быть осязаемый ответ.

Теорема Белла

Используя простую запутанную систему, Белл расширил мысленный эксперимент Эйнштейна 1935 года. Он показал, что квантовое описание никак не может быть неполным, запрещая «призрачное действие на расстоянии» и все же соответствуя предсказаниям квантовой теории.

Похоже, для Эйнштейна плохие новости. Но это не было мгновенной победой его противников.

Это потому, что в 1960-х годах не было очевидно, действительно ли предсказания квантовой теории верны. Чтобы действительно доказать точку зрения Белла, кто-то должен был подвергнуть этот философский аргумент о реальности, преобразованной в реальную физическую систему, экспериментальной проверке.

И тут, конечно же, в историю вступают два лауреата Нобелевской премии этого года. Сначала Джон Клаузер, а затем Ален Аспект провели эксперименты с предложенной Беллом системой, которые в конечном итоге показали точность предсказаний квантовой механики. В результате, если мы не примем «призрачное действие на расстоянии», не будет дальнейшего описания запутанных квантовых систем, которые могут описывать наблюдаемый квантовый мир.

Значит, Эйнштейн ошибался?

Это может быть сюрпризом, но эти достижения в квантовой теории, похоже, показали, что Эйнштейн ошибался в этом вопросе. То есть кажется, что у нас нет туманного представления о квантовом мире, который так же похож на наш обычный мир.

Но идея о том, что мы ясно воспринимаем необычный по своей сути квантовый мир, также слишком упрощена. И это обеспечивает один из ключевых философских уроков этого эпизода в квантовой физике.

Уже не ясно, можем ли мы разумно говорить о квантовом мире за пределами нашего научного описания, то есть за пределами информация у нас есть об этом.

Как выразился третий лауреат Нобелевской премии этого года Антон Цайлингер: «Невозможно провести различие между реальностью и нашим знанием реальности, между реальностью и информацией. Это.»

Это различие, которое мы обычно принимаем за основу нашей обычной картины мира, теперь безвозвратно размыто. И мы должны поблагодарить Джона Белла.

Давайте послушаем Джона Белла. Я имею в виду Христа, на самом деле. Именно благодаря ему квантовые основы стали экспериментальной физикой, а не философией. (Ничего не имею против философии, но иногда полезно получить ответы.)

— Филип Болл (@philipcball) 4 октября 2022 г.

Подробнее

Что такое квантовая запутанность? Физик объясняет науку о «жутких действиях Эйнштейна на расстоянии»

Предоставлено
Разговор

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.

Цитата :
Как философия превратилась в физику, а реальность в информацию (2022, 7 октября)
получено 8 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2022-10-philosophy-physics-reality.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

«Происходит что-то странное» — физики ответили на вопрос, которому десятки лет

6 октября 2022 г.

Физики ответили на давний вопрос о взаимодействии квантовых частиц в неупорядоченной системе.

Другой тип хаоса

Физики из Калифорнийского университета, Санта-Барбары, Мэрилендского и Вашингтонского университетов решили давнюю физическую загадку: как взаимодействия между частицами влияют на динамическую локализацию?

«Это действительно старый вопрос, унаследованный от физики конденсированного состояния», — сказал Дэвид Велд, физик-экспериментатор из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, специализирующийся на физике ультрахолодного атома и квантовом моделировании. Этот вопрос относится к категории физики «многих тел», которая исследует физические свойства квантовой системы с несколькими взаимодействующими частями. В то время как проблемы многих тел были предметом исследований и дискуссий на протяжении десятилетий, сложность этих систем с квантовым поведением, таким как суперпозиция и запутанность, приводит к множеству возможностей, что делает невозможным решение только с помощью вычислений. «Многие аспекты проблемы недоступны современным компьютерам», — добавил Уэлд.

Экспериментальная установка, используемая Лабораторией сварки. Предоставлено: Tony Mastres

К счастью, эта проблема не была за пределами досягаемости эксперимента с использованием ультрахолодных атомов лития и лазеров. Итак, что происходит, когда взаимодействие вводится в неупорядоченную, хаотическую квантовую систему?

«Странное квантовое состояние», по словам Велда. «Это аномальное состояние со свойствами, которые в некотором смысле лежат между классическим предсказанием и невзаимодействующим квантовым предсказанием».

Выводы физиков были недавно опубликованы в Nature Physics

Как следует из названия, Nature Physics — это рецензируемый научный журнал, посвященный физике, издаваемый Nature Research. Впервые он был опубликован в октябре 2005 года, и его ежемесячный охват включает статьи, письма, обзоры, основные моменты исследований, новости и мнения, комментарии, обзоры книг и переписку.

» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>Физика природы.

«Происходит что-то странное»

Квантовый мир не разочаровывает, когда дело доходит до странного, нелогичного поведения. Рассмотрим обычный маятник, который будет вести себя точно так, как мы ожидаем, что на него воздействуют энергетические импульсы.

«Если его время от времени пинать и трясти вверх-вниз, классический маятник будет непрерывно поглощать энергию, начнет раскачиваться повсюду и хаотично исследовать все пространство параметров», — сказал Уэлд.

Хаос по-разному проявляется в квантовых системах. Вместо движения беспорядок может привести частицы к своего рода остановке. И, в отличие от классического маятника, квантовый маятник или «ротор» с толчками может изначально поглощать энергию от толчков, но после повторных толчков система перестает поглощать энергию, и распределение импульса замирает, в так называемом динамически локализованном состоянии. Эта локализация похожа на поведение «грязного» электронного твердого тела, в котором беспорядок приводит к неподвижным, локализованным электронам, что приводит к тому, что твердое тело превращается из металла или проводника (движущиеся электроны) в изолятор.

Хотя это состояние локализации изучалось в условиях одиночных невзаимодействующих частиц в течение десятилетий, что происходит, когда неупорядоченная система содержит множество взаимодействующих электронов? Подобные вопросы и связанные с ними аспекты квантового хаоса занимали умы Уэлда и его соавтора, теоретика из Университета Мэриленда Виктора Галицкого, во время дискуссии несколько лет назад, когда Галицкий посещал Санта-Барбару.

«Виктор поднял вопрос о том, что произойдет, если вместо этой чистой невзаимодействующей квантовой системы, которая стабилизируется интерференцией, у вас будет группа этих роторов, и все они могут столкнуться и взаимодействовать друг с другом», — Велд. вспомнил. «Сохраняется ли локализация или она разрушается взаимодействиями?»

«Действительно, это очень сложный вопрос, связанный с основами статистической механики и базовым понятием эргодичности, согласно которому большинство взаимодействующих систем в конечном итоге термируются в универсальное состояние», — сказал Галицкий.

Представьте на мгновение, что вы наливаете холодное молоко в горячий кофе. Частицы в вашей чашке со временем и благодаря своим взаимодействиям придут в однородное равновесное состояние, которое не будет ни чисто горячим кофе, ни холодным молоком. Такой тип поведения — термализация — ожидался от всех взаимодействующих систем. То есть примерно до 16 лет назад, когда утверждалось, что беспорядок в квантовой системе приводит к локализации многих тел (MBL).

«Это явление, которое ранее в этом году было признано премией Ларса Онсагера, трудно строго доказать теоретически или установить экспериментально, — сказал Галицкий.

Группа Велда обладала технологиями и опытом, чтобы буквально пролить свет на ситуацию. В их лаборатории находится газ из 100 000 ультрахолодных атомов лития, взвешенных в стоячей волне света. Каждый атом

Атом – это наименьший компонент элемента. Он состоит из протонов и нейтронов внутри ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.

» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>atom представляет собой квантовый ротор, который можно запускать лазерными импульсами.

«Мы можем использовать инструмент, называемый резонансом Фешбаха, чтобы держать атомы скрытыми друг от друга, или мы можем заставить их отскакивать друг от друга с произвольно сильными взаимодействиями», — сказал Уэлд. Повернув ручку, исследователи могли заставить литий

Как и ожидалось, когда атомы были невидимы друг для друга, атомы переходили из линейного танца в мошпит и фиксировали их поведение. Но когда исследователи настроили взаимодействие, локализованное состояние не только уменьшилось, но и система начала поглощать энергию от повторяющихся толчков, имитируя классическое хаотическое поведение.

Однако Уэлд указал, что хотя взаимодействующая неупорядоченная квантовая система поглощает энергию, она делает это гораздо медленнее, чем классическая система.

«То, что мы видим, это что-то, что поглощает энергию, но не так хорошо, как классическая система», — сказал он. «И кажется, что энергия растет примерно с квадратным корнем из времени, а не линейно со временем. Таким образом, взаимодействие не делает его классическим; это все еще странное квантовое состояние, демонстрирующее аномальную нелокализацию».

Тестирование хаоса

Команда Велда использовала технику под названием «эхо», в которой кинетическая эволюция запускается вперед, а затем назад, чтобы напрямую измерить, как взаимодействия разрушают обратимость времени. Это разрушение обратимости времени является ключевым признаком квантового хаоса.

«Еще один способ подумать об этом — спросить: сколько памяти начального состояния останется у системы через какое-то время?» сказал соавтор Рошан Саджад, аспирант-исследователь из команды лития. Он объяснил, что при отсутствии каких-либо возмущений, таких как рассеянный свет или столкновения с газом, система должна иметь возможность вернуться в свое исходное состояние, если физика работает в обратном направлении. «В нашем эксперименте мы обращаем время вспять, обращая фазу ударов ногами, «отменяя» эффекты первого обычного набора ударов ногами», — сказал он. «Часть нашего увлечения заключалась в том, что разные теории предсказывали различное поведение в результате такого типа взаимодействия, но никто никогда не проводил эксперимент».

«Приблизительное представление о хаосе состоит в том, что, хотя законы движения обратимы во времени, система многих частиц может быть настолько сложной и чувствительной к возмущениям, что практически невозможно вернуться в исходное состояние», — сказал ведущий автор Алек. Цао. Изюминка заключалась в том, что в эффективно неупорядоченном (локализованном) состоянии взаимодействия несколько нарушали локализацию, даже когда система теряла способность обращать время вспять, объяснил он

«Наивно ожидать, что взаимодействия разрушат обращение времени, но мы увидели кое-что более интересное: немного взаимодействия действительно помогает!» — добавил Саджад. «Это был один из самых удивительных результатов этой работы».

Велд и Галицкий были не единственными свидетелями этого нечеткого квантового состояния. Вашингтонский университет

Основанный в 1861 году Вашингтонский университет (UW, просто Вашингтон или неофициально U-Dub) является государственным исследовательским университетом в Сиэтле, штат Вашингтон, с дополнительными кампусами в Такоме и Ботелле. В соответствии с Классификацией высших учебных заведений Карнеги, UW является членом Ассоциации американских университетов.

» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>Физик из Вашингтонского университета Субхадип Гупта и его команда провели дополнительный эксперимент в В то же время были получены аналогичные результаты с использованием более тяжелых атомов в одномерном контексте. Этот результат опубликован вместе с результатами исследований Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Университета Мэриленда в Nature Physics .

«Эксперименты в UW проводились в очень сложном физическом режиме. с атомами в 25 раз тяжелее, ограниченными в движении только в одном измерении, но также измерял более слабый, чем линейный, рост энергии от периодических толчков, проливая свет на область, где теоретические результаты противоречат друг другу», — сказал Гупта, чья группа сотрудничала с теоретик Чуанвэй Чжан и его команда из Техасского университета в Далласе.0003

Эти открытия, как и многие другие важные результаты в физике, открывают новые вопросы и прокладывают путь к новым экспериментам с квантовым хаосом, в которых может быть обнаружена желанная связь между классической и квантовой физикой.

«Эксперимент Дэвида — первая попытка исследовать динамическую версию MBL в более контролируемых лабораторных условиях», — прокомментировал Галицкий. «Хотя он так или иначе однозначно не решил фундаментальный вопрос, данные показывают, что происходит что-то странное».

«Как мы можем понять эти результаты в контексте очень большого объема работ по локализации многих тел в системах конденсированного состояния?» — спросил Уэлд. «Как мы можем охарактеризовать это состояние материи? Мы наблюдаем, что система делокализуется, но не с ожидаемой линейной зависимостью от времени; что там происходит? Мы с нетерпением ждем будущих экспериментов, исследующих эти и другие вопросы».

Ссылки:

«Разрушение динамической локализации в квантовом газе, вызванное взаимодействием», Алек Цао, Рошан Саджад, Гектор Мас, Итан К. Симмонс, Джереми Л. Танлимко, Эбер Ноласко-Мартинес, Тосихико Шимасаки, Х. Эсат Кондакчи, Виктор Галицкий и Дэвид М. Велд, 26 сентября 2022 г., стр. Физика природы .
. DOI: 10.1038/s41567-022-01724-7. , Чуанвэй Чжан и Субхадип Гупта, 26 сентября 2022 г., Nature Physics .
DOI: 10.1038/s41567-022-01721-w

Что такое квантовая запутанность? Физик объясняет науку о «жутких действиях Эйнштейна на расстоянии»

Андреас Мюллер, The Conversation

Согласно квантовой механике, частицы одновременно находятся в двух или более состояниях, пока их не наблюдают — эффект, наглядно отраженный в знаменитом мысленном эксперименте Шредингера с кошкой, которая одновременно и мертва, и жива. Предоставлено: Майкл Холлоуэй/Wikimedia Commons, CC BY-SA.

Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена трем ученым, внесшим новаторский вклад в понимание одного из самых загадочных явлений природы: квантовой запутанности.

Проще говоря, квантовая запутанность означает, что аспекты одной частицы запутанной пары зависят от аспектов другой частицы, независимо от того, как далеко они друг от друга или что находится между ними. Эти частицы могут быть, например, электронами или фотонами, а аспектом может быть состояние, в котором они находятся, например, «вращаются» ли они в том или ином направлении.

Странная часть квантовой запутанности заключается в том, что когда вы измеряете что-то об одной частице в запутанной паре, вы сразу же знаете что-то о другой частице, даже если они находятся на расстоянии миллионов световых лет друг от друга. Эта странная связь между двумя частицами происходит мгновенно и, по-видимому, нарушает фундаментальный закон Вселенной. Альберт Эйнштейн назвал это явление «жутким действием на расстоянии».

Проведя большую часть двух десятилетий, проводя эксперименты, основанные на квантовой механике, я пришел к выводу, что это странность. Благодаря еще более точным и надежным приборам и работе лауреатов Нобелевской премии этого года Алена Аспекта, Джона Клаузера и Антона Цайлингера физики теперь с исключительной степенью уверенности интегрируют квантовые явления в свои знания о мире.

Однако даже до 1970-х годов мнения исследователей по-прежнему расходились во мнениях относительно того, является ли квантовая запутанность реальным явлением. И не зря — кто посмеет противоречить великому Эйнштейну, который сам в этом сомневался? Потребовались разработка новых экспериментальных технологий и смелые исследователи, чтобы наконец разрешить эту тайну.

Существование в нескольких состояниях одновременно

Чтобы по-настоящему понять привидение квантовой запутанности, важно сначала понять квантовую суперпозицию. Квантовая суперпозиция — это идея о том, что частицы существуют одновременно в нескольких состояниях. Когда выполняется измерение, частица как бы выбирает одно из состояний в суперпозиции.

Например, многие частицы имеют свойство, называемое вращением, которое измеряется как «вверх» или «вниз» для данной ориентации анализатора. Но пока вы не измерите спин частицы, она одновременно существует в суперпозиции спина вверх и спина вниз.

Каждому состоянию присваивается вероятность, и можно предсказать средний результат на основе множества измерений. Вероятность того, что отдельное измерение будет положительным или отрицательным, зависит от этих вероятностей, но сама по себе непредсказуема.

Хотя это и очень странно, математика и огромное количество экспериментов показали, что квантовая механика правильно описывает физическую реальность.

Две запутанные частицы

Жуткость квантовой запутанности проистекает из реальности квантовой суперпозиции и была очевидна для отцов-основателей квантовой механики, разработавших теорию в XIX веке. 20-х и 1930-х годов.

Чтобы создать запутанные частицы, вы, по сути, разбиваете систему на две части, сумма частей которых известна. Например, вы можете разделить частицу со спином, равным нулю, на две частицы, которые обязательно будут иметь противоположные спины, так что их сумма будет равна нулю.

В 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен опубликовали статью, в которой описывался мысленный эксперимент, предназначенный для иллюстрации кажущейся абсурдности квантовой запутанности, бросающей вызов фундаментальному закону Вселенной.

Упрощенная версия этого мысленного эксперимента, приписываемая Дэвиду Бому, рассматривает распад частицы, называемой пи-мезоном. Когда эта частица распадается, она производит электрон и позитрон, которые имеют противоположный спин и удаляются друг от друга. Следовательно, если измеренный спин электрона направлен вверх, то измеренный спин позитрона может быть только направлен вниз, и наоборот. Это верно, даже если частицы находятся на расстоянии миллиардов миль друг от друга.

Это было бы прекрасно, если бы измерение спина электрона всегда было вверху, а измерение спина позитрона всегда было внизу. Но из-за квантовой механики спин каждой частицы одновременно направлен вверх и вниз, пока не будет измерен. Только когда происходит измерение, квантовое состояние спина «коллапсирует» либо вверх, либо вниз — мгновенно коллапсируя другую частицу в противоположный спин. Кажется, это говорит о том, что частицы общаются друг с другом каким-то образом, движущимся быстрее скорости света. Но по законам физики ничто не может двигаться быстрее скорости света. Разве измеренное состояние одной частицы не может мгновенно определить состояние другой частицы на дальнем конце Вселенной?

Физики, включая Эйнштейна, предложили ряд альтернативных интерпретаций квантовой запутанности в 1930-х годах. Они предположили, что существует какое-то неизвестное свойство — так называемые скрытые переменные — которое определяет состояние частицы до измерения. Но в то время у физиков не было ни технологии, ни определения четкого измерения, которое могло бы проверить, нужно ли модифицировать квантовую теорию, чтобы включить скрытые переменные.

Опровержение теории

Потребовалось время до 1960-х годов, прежде чем появились какие-либо подсказки к ответу. Джон Белл, блестящий ирландский физик, не доживший до Нобелевской премии, разработал схему, чтобы проверить, имеет ли смысл понятие скрытых переменных.

Белл вывел уравнение, теперь известное как неравенство Белла, которое всегда правильно — и только правильно — для теорий скрытых переменных, но не всегда для квантовой механики. Таким образом, если окажется, что уравнение Белла не удовлетворяется в реальном эксперименте, теории локальных скрытых переменных можно исключить как объяснение квантовой запутанности.

Эксперименты лауреатов Нобелевской премии 2022 года, особенно Алена Аспекта, были первой проверкой неравенства Белла. В экспериментах использовались запутанные фотоны, а не пары электрона и позитрона, как во многих мысленных экспериментах. Результаты окончательно исключили существование скрытых переменных — загадочного атрибута, который предопределяет состояния запутанных частиц. В совокупности эти и многие последующие эксперименты подтвердили квантовую механику. Объекты могут коррелировать на больших расстояниях таким образом, что физика до квантовой механики не может объяснить.

Важно отметить, что нет никакого конфликта со специальной теорией относительности, которая запрещает связь со скоростью, превышающей скорость света. Тот факт, что измерения на огромных расстояниях коррелированы, не означает, что информация передается между частицами. Две стороны, находящиеся далеко друг от друга и выполняющие измерения запутанных частиц, не могут использовать это явление для передачи информации со скоростью, превышающей скорость света.

Сегодня физики продолжают исследовать квантовую запутанность и исследовать потенциальные практические приложения. Хотя квантовая механика может предсказать вероятность измерения с невероятной точностью, многие исследователи по-прежнему скептически относятся к тому, что она дает полное описание реальности. Однако одно можно сказать наверняка.