Классический принцип наименьшего действия теперь существует в квантовой сфере

«Hearst Magazines и Yahoo могут получать комиссию или доход от продажи некоторых товаров по этим ссылкам».

Исследователи доказали, что фундаментальный закон физики применим и в квантовой сфере.

Принцип наименьшего действия гласит, что объекты (если им не мешают) всегда будут двигаться по маршруту, который требует наименьшего количества действий.

Не все правила повседневной физики применимы к квантовым частицам, но, согласно трудновыполнимым измерениям нового исследования, это правило определенно применимо.

Кратчайшее расстояние между двумя точками — это прямая линия, но самое короткое расстояние не всегда означает наименьшее количество работы. Что, если это расстояние идет прямо в гору или по труднопроходимой местности? Если вы хотите выполнить минимум работы, прямая линия не всегда будет лучшим выбором.

Люди, возможно, не всегда ищут самый простой путь. Но когда речь идет о естественных движениях в системах, один из фундаментальных законов физики гласит, что объекты всегда будут двигаться по маршруту, требующему наименьшего действия. В физике «действие» связано с такими вещами, как энергия, импульс, расстояние и время.

По сути, без вмешательства извне объекты движутся по пути наименьшего сопротивления и наименьших изменений. Это называется принципом наименьшего действия. Мы знаем, что это применимо в нашем повседневном мире, а теперь — благодаря новому исследованию — мы знаем, что это применимо и в квантовом мире.

«Главная мечта физика — записать тайны всей Вселенной на маленьком листке бумаги, и в этом списке должен быть принцип наименьшего действия», — сказал Ши-Лян, один из исследователей проекта, в статье для Новый учёный. «Нашей целью было «увидеть» [принцип] в квантовом эксперименте».

Легче сказать, чем сделать. Исследовательской группе из Южно-Китайского педагогического университета пришлось столкнуться с тем фактом, что не только все в квантовой сфере маленькое и трудноразличимое, но и движения квантовых частиц сложны — действительно сложны. Во-первых, квантовые состояния изменяются, когда их измеряют. А во-вторых, их можно составить только с помощью очень сложной математики.

Чтобы лучше всего описать их поведение, ученые используют комбинацию двух вещей: волновой функции и пропагатора. Волновые функции описывают состояние частицы, а пропагаторы описывают, как это состояние меняется в ходе движения частицы в системе. Проблема в том, что волновые функции и пропагаторы являются чисто математическими, и хотя они прекрасно описывают поведение квантовых частиц, они часто делают это, используя мнимые числа. Мнимые числа хороши в математике, но их по определению невозможно измерить.

Чтобы обойти эту проблему, команда использовала технику, разработанную несколькими годами ранее. В этом методе вы, по сути, отражаете и фильтруете отдельные частицы квантового света, называемые фотонами, через лабиринт зеркал, кристаллов и линз. В конце концов, части поведения фотона, описываемые мнимыми числами, будут соответствовать реальным измеримым свойствам. Части, которые изначально описывались обычными действительными числами, также станут измеримыми, и исследователи смогут реконструировать формы волн и распространителей на основе реальных измеренных данных.

После того, как лабиринт был построен, исследователи объединили эту технику с новой, которую они разработали, чтобы избежать проблемы «изменения квантового состояния при наблюдении». Затем они отправили отдельные фотоны через лабиринт и сравнили их поведение с поведением, предсказанным принципом наименьшего действия, и обнаружили, что реальность согласуется с теорией, доказав, что квантовые частицы действительно следуют этому принципу.

«Измерения в этом эксперименте совершенно невероятны, и они не бросают вызов нашему нынешнему пониманию квантовой физики», — сказал Джонатан Лич, исследователь квантовой науки, не участвовавший в исследовании, в статье New Scientist. «Приятно видеть, как эта теория воплощается в жизнь в эксперименте».

Существует множество мест, где квантовый мир и повседневный мир не пересекаются. Это одна из причин, почему исследователи все еще стремятся улучшить текущую Стандартную модель физики. Но в их стремлении максимально избежать действий квантовое и повседневное идеально синхронизированы.