Потвърдено е за първи път наблюдение на атоми, участващи в едно от най-озадачаващите квантови поведения, известни на съвременната физика: очевидната способност да съществуват на две напълно отделни места едновременно.

Явлението, известно като квантово вплитане, би могло да се опише по-точно като неспособността на която и да е отделна частица да бъде описана независимо от състоянието на другите, което представлява основната характеристика на квантовата физика, която липсва в класическия ѝ аналог.

„Може да прочетете за това в учебник, но е наистина странно да си представим, че една частица може да бъде на две места едновременно“, заявява д-р Шон Ходжман (Sean Hodgman), физик от Австралийския национален университет.

Нелокалното вплитане между двойки корелирани частици е силно противоречащ на интуицията аспект на квантовата механика, където измерването на една частица може мигновено да повлияе на другата, независимо от разстоянието. Макар че строгата рамка на неравенството на Бел* позволява демонстрирането на такова вплитане при фотони и вътрешни атомни състояния, този експеримент е първият, който включва масивни частици в състояние на движение.

За да извадят тази квантова особеност от сферата на физическата теория и да я включат в реални наблюдения, Ходжман и колегите му са използвали хелиеви атоми, а не фотони, както са правили повечето подобни експерименти в миналото. Това е важно, тъй като хелиевите атоми са доста големи и предлагат на физиците няколко важни предимства като това, че могат да бъдат по-лесно манипулирани, което включва използването на гравитационни полета.

Новият подход на екипа, използващ хелиеви атоми, отваря нови пътища към изучаването на някои от най-значимите въпроси в съвременната физика. Те включват как явленията на квантовата механика, в най-малки мащаби, се свързват с неща като гравитацията и Общата теория на относителността в много по-големи универсални мащаби.

Екипът твърди, че наблюденията му вече са потвърдили повече от век предсказания за това интригуващо квантово явление.

„Този ​​резултат потвърждава предсказанията отпреди повече от век, че материята може да бъде на две места едновременно“, посочва Ходжсън, добавяйки, че техните открития доказват, че материята може също „да интерферира сама в себе си дори на тези места“.

Въведение в квантовото вплитане

Идеята за неопределеността е фундаментална за света на квантовата механика. Не можем да измерваме всички характеристики на една система едновременно, без значение колко перфектен е експериментът. Копенхагенската интерпретация на Нилс Бор ефективно ни показва, че самият акт на измерване избира характеристиките, които се наблюдават.

Вплитането е доста странно свойство на квантовата механика. Ако два електрона, например, бъдат изхвърлени от квантова система, тогава законите за запазване на импулса ни казват, че импулсът е равен и противоположен на този на другия. Въпреки това, според Копенхагенската интерпретация, нито една частица няма да има определено състояние, докато не бъде измерена. Когато се измери импулса на едната, това ще определи състоянието и импулса на другата частица, независимо от разстоянието между тях.

Основното:

    Когато две субатомни частици взаимодействат една с друга, техните състояния стават взаимозависими – те се вплитат.
    Те остават свързани дори когато са физически разделени (дори на огромни разстояния като различни галактики).
    Манипулирането на една частица незабавно променя другата.
    Измерването на свойствата на една частица ни дава данни за другата.

Това е известно като нелокално поведение, въпреки че Айнщайн го нарича „призрачно действие от разстояние“. През 1935 г. Айнщайн заявява, че има скрити променливи, които го правят ненужно. Той твърди, че за да може една частица да повлияе на друга, ще е необходим сигнал, по-бърз от светлината между тях. Това е забранено според неговата Специалната теория на относителността.
Теорема на Бел:

През 1964 г. физикът Джон Стюарт Бел предлага експеримент, който разглежда въпроса дали вплетените частици действително комуникират помежду си по-бързо от скоростта на светлината. Той представя случай на свързани електрони, един със спин нагоре и един със спин надолу. (Спинът се отнася до ъгловия импулс на електроните). Според квантовата теория двата електрона са в суперпозиция на състояния, докато не бъдат измерени. Всеки един от тях може да има спин нагоре или надолу. Но докато измервате спина на единия електрон, знаете, че другият трябва да има обратния спин.

Формулите, получени от Бел, наречени неравенства на Бел, определят колко често спинът на една частица трябва да корелира със спина на другата частица, ако бъде включена нормалната вероятност, която всъщност се противопоставя на квантовото вплитане. Статистическото разпределение доказва математически, че Айнщайн не е бил прав и че има мигновена връзка между вплетените частици. Според физика Фритьоф Капра, теоремата на Бел описва как Вселената е „фундаментално взаимосвързана“.

В заключение, квантовата сфера не е обвързана от правилата на локалността. Когато две частици претърпят вплитане, те са ефективно една система, която има една квантова функция.

Локалност и нелокалност

Локалността е свойство от класическата физика, при което промените в една точка на Вселената не могат мигновено да променят физическата реалност в друга точка - събитие на Венера не може мигновено да увеличи честотата на разпада на пи-мезоните на Земята. Това свойство се намира в основата на класическия принцип на причинността и възниква от ограниченията на скоростта на предаване на информация със скоростта на светлината. В квантовата механика тази локалност може да бъде нарушена от система вплетени частици например.

Справка: Athreya, Y.S., Kannan, S., Yan, X.T. et al. Bell correlations between momentum-entangled pairs of 4He* atoms. Nat Commun 17, 2357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69070-3

Източник: In a Landmark Physics First, Scientists Observe Atoms Existing in Two Separate Places at the Same Time, Micah Hank, The Debrief