Странная математика в квантовом стиле
5 умножить на 3 равно 3 умножить на 5. Классически говоря. Однако если перенести задачу на фотоны, то результат зависит от порядка. И вдруг, одним фотоном меньше, значит больше света. Если сначала съесть брокколи, а затем выпить яблочный спритцер, или наоборот, в желудке образуется один и тот же химус. Порядок не важен. Вопрос о том, разогреваем ли мы свой обед, а затем едим его, или же голод заставляет нас есть овощи сырыми, а потом лезть в котел, - это совсем другое дело. Нам разрешено обмениваться одними действиями безнаказанно, а другими нет.
Математика также различает коммутативные (коммутативные) и некоммутативные операции. Например, умножение и сложение коммутативны. Даже если я сначала добавлю больше элементов к набору одних и тех же частиц, а затем уберу некоторые или изменю порядок, результат всегда будет один и тот же. Если только частицы не подчиняются странным законам квантовой физики.
Правила в космосе самых маленьких только рады противоречить нашей в остальном надежной интуиции. Жители то появляются в виде частиц, то снова в виде волн - их свойства можно выразить только с помощью вероятностей. Далеко друг от друга партнеры иногда ведут себя как единое «я», и из абсолютного небытия возникают материя и антиматерия путем случайных флуктуаций.
И теперь ученые из Италии и Великобритании во главе с Марко Беллини из Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии во Флоренции добавляют к списку еще одно удивительное нарушение здравого макроскопического здравого смысла: луч света плюс фотон минус фотон дает другой набор фотонов как луч света минус фотон плюс фотон. Или, выражаясь более математически: квантовые физические системы не обязательно подчиняются коммутативному закону.
Теоретически квантовые физики давно ожидали такого результата. Однако экспериментальное доказательство требует больших усилий и поэтому было достигнуто только сейчас. Исследователи использовали лазер в качестве источника света. По пути световой пучок можно было экспериментально увеличить или уменьшить на один фотон: за вычитание отвечал светоделитель, который отклонял один фотон от прямого пути. Добавление происходило через нелинейно-оптический кристалл, в котором ультрафиолетовый фотон разделялся на два инфракрасных фотона. В конце концов, детекторы подсчитали количество частиц.
Эталоном служила серия измерений, в которых количество фотонов (x) не менялось. Если ученые добавили фотон (x+1), их количество на детекторе, естественно, увеличилось. Неожиданно было зарегистрировано больше фотонов, когда один из них был удален с пути луча (x-1). Столь же запутанными были результаты, когда команда выполнила обе манипуляции, хотя наша интуитивная идея состоит в том, что добавление и вычитание фотона должны компенсировать друг друга. Вместо этого количество фотонов после добавления и последующего удаления (x+1-1) было больше, чем в контроле. А после прогонов, в которых фотон сначала удалялся из пучка, а затем добавлялся (x-1+1), детектор даже регистрировал наибольшее количество фотонов.
Итак, в квантовом мире меньше фотонов означает больше света. Однако в случае пещерных экспедиций с фонариками и презентаций с лазерными указками мы можем уверенно игнорировать это знание. Скорее, они важны для технологий, в которых сверхмалое количество света и мельчайшие размеры являются нормой. Например, при построении квантовых компьютеров, потенциальное превосходство которых над обычными компьютерами вытекает именно из суперпозиции состояний. К счастью, разработчики этих будущих чудо-калькуляторов уже привыкли к некоторым странностям своих объектов. Набор необычных арифметических правил уже не важен.