Законы сохранения играют центральную роль в нашем понимании Вселенной, и теперь ученые расширили наше понимание этих законов в квантовой механике.
Закон сохранения в физике описывает сохранение определенных величин или свойств в изолированных физических системах с течением времени, таких как масса-энергия, импульс и электрический заряд.
Законы сохранения имеют фундаментальное значение для нашего понимания Вселенной, поскольку они определяют процессы, которые могут или не могут происходить в природе. Например, закон сохранения импульса показывает, что в закрытой системе сумма всех импульсов остается неизменной до и после события, такого как столкновение.
Это означает объяснение поведения движущихся объектов: от движения планет в космосе до сложной динамики субатомных частиц.
Однако все становится еще интереснее, когда мы смотрим на мир квантовой механики . В квантовой механике теоремы сохранения могут быть выведены из таких принципов, как симметрия физических систем , в отличие от классической механики, где они являются отправной точкой.
Квантовая механика может похвастаться набором законов сохранения, некоторые из которых имеют классические аналоги, а другие являются исключительно квантовыми. Санду Попеску, один из авторов нового исследования , опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, отметил, что, несмотря на невероятные успехи в объяснении множества явлений, квантовая механика все еще ускользает от глубокого интуитивного понимания ее основных принципов.
По словам самого доктора Попеску: «Несмотря на свое давнее присутствие, противоречивое поведение микроскопических частиц оставляет во мне всеобщее признание того, что глубокое, интуитивное понимание остается неуловимым. Продолжающееся открытие удивительных и парадоксальных эффектов подчеркивает мою потребность достичь понимание этого.»
Для этого исследователи разработали мысленный эксперимент.
Мысленные эксперименты и законы сохранения в квантовой механике
Мысленный эксперимент — это гипотетический сценарий, используемый для изучения последствий теорий и принципов, предоставляющий новые перспективы и идеи, часто бросающий вызов преобладающим убеждениям.
Эти эксперименты намеренно созданы для изучения последствий определенного принципа. Структура эксперимента может сделать его непрактичным, и даже если оно осуществимо, у него может не быть намерения его проводить. Чтобы проиллюстрировать значение мысленных экспериментов, давайте углубимся в простой пример, представленный доктором Попеску.
В этом мысленном эксперименте участвуют два персонажа, Алиса и Боб, каждый из которых сидит на стуле с колесиками, расположенном лицом друг к другу. Эти стулья изящно скользят по полу с минимальным трением, создавая основу для интригующего исследования законов сохранения в квантовой сфере.
Они имеют одинаковую массу, и когда они толкают друг друга, они движутся в противоположных направлениях с одинаковой скоростью, в результате чего постоянная сумма скоростей равна нулю. Как пояснил доктор Попеску: «Сумма скоростей остается постоянной как до, так и после их взаимодействия».
Он продолжил: «Это замечательное открытие, потому что оно справедливо независимо от конкретной природы их взаимодействия. Вы можете предсказать, что сумма их скоростей равна нулю, не зная подробностей того, как они толкали друг друга».
Понимание более широкого значения этого мысленного эксперимента требует признания его универсальной применимости. Принцип, который он иллюстрирует, распространяется на различные сценарии, учитывая различия в массе, начальном движении или сложных многомерных взаимодействиях, подчеркивая его непреходящую и неоценимую предсказательную способность.
Доктор Попеску объяснил: «На более глубоком уровне определенные законы сохранения возникают из симметрии, обнаруженной в природе. В случае с примером очевидно, что местоположение во Вселенной не влияет на результат эксперимента. Другие законы сохранения диктуют ограничения. например, невозможность извлечь больше энергии, чем было первоначально вложено».
Проблемы с традиционными законами сохранения в квантовой механике
В классической физике концепция сохранения относительно проста. Вы измеряете определенную величину в начале эксперимента и измеряете ее снова в конце. Если значения совпадают, количество считается сохранившимся.
«Это не работает в квантовой механике. Причина в том, что выполнение измерения нарушает систему», — объяснил доктор Попеску.
Измерение количества сразу после приготовления разрушает систему, фундаментально изменяя ее последующую эволюцию. Несмотря на совпадение результатов измерений в конце, оно не может выявить исходное состояние, поскольку эволюция системы во времени была необратимо изменена.
Чтобы справиться с этими проблемами, исследователи разработали мысленный эксперимент . Их экспериментальная установка включала подготовку квантовой системы в определенном исходном состоянии и измерение сохраняющейся величины — положения — сразу после ее приготовления.
Впоследствии они позволили системе развиваться без каких-либо нарушений измерений. «Теперь эволюция пошла так, как хотелось, поскольку вначале вы не нарушили систему», — сказал доктор Попеску. Исследователи выбрали состояния, в которых частица находилась в суперколебательной области, известной своим высокочастотным или разнообразным поведением. Затем они измерили угловой момент частицы и проверили, попадает ли он в определенный диапазон.
Они сравнили результат второго измерения, измерения углового момента, с первоначальным измерением, характеризующим начальное состояние частицы. Если эти два измерения были одинаковыми, это указывало на то, что измеренная интересующая величина, в данном случае угловой момент, сохранялась на протяжении всего эксперимента.
Сохранение является статистическим, поскольку отдельные случаи не могут окончательно доказать это из-за квантовой случайности. Это подтверждается сравнением вероятностей исходов между экспериментами по измерению количества сразу после приготовления и в конце с использованием одного и того же исходного состояния.
Исследователи пришли к двум ключевым выводам. Во-первых, они показали, что «несохранение препарата» и «несохранение измерения» уравновешивают друг друга, приводя к сохранению углового момента даже в отдельных случаях. Это бросает вызов классическим законам сохранения.
Во-вторых, в статье утверждается, что предложенное чистое состояние, которое в отдельных случаях казалось неконсервативным, нереально и не существует в природе. Это подчеркивает важность рассмотрения систем отсчета и взаимодействия системы и измерительного устройства для понимания квантовых законов сохранения.
Это исследование бросает вызов традиционным квантовым законам сохранения, подчеркивая влияние систем отсчета и нефизических состояний, и призывает к переосмыслению статистического сохранения в квантовой механике.
В заключение доктор Попеску сказал: «Мы не утверждаем, что в стандартном способе определения законов сохранения в квантовой механике есть что-то неправильное. Однако мы утверждаем, что можно добиться большего».
Теги: квант
