Светлината не се подчинява на законите на Нютон в квантовия свят

Експеримент, проведен от японски изследователи, разкрива потенциално противоречие между първия закон за движението на Нютон и поведението на частиците в квантовия свят. Използвайки фотона като обект на изследване, те откриха 45-процентно несъответствие между теоретичните прогнози и експерименталните измервания. Тези резултати могат да поставят под въпрос разбирането ни за квантовото движение.

Квантовата вселена, с нейните ясни правила и принципи, продължава да предизвиква традиционното ни разбиране за физиката. В основата на това предизвикателство е принципът на неопределеност на Хайзенберг, който гласи, че местоположението и инерцията на една частица не могат да бъдат едновременно точно определени.

Неотдавна екип от изследователи, ръководен от Такафуми Оно от университета в Кагава, Япония, проведе смел експеримент, за да провери тази идея. Използвайки фотон като обект на изследване, те откриха значително несъответствие между прогнозите, базирани на законите на Нютон, и експерименталните резултати. Това откритие, което поставя под въпрос първия закон на Нютон за движението в квантовия свят, може да наложи преоценка на нашето разбиране за движението на частиците в този мащаб. Изследването е достъпно в платформата arXiv.

Проблемът с първия закон на Нютон в квантовия свят

Първият закон за движението на Нютон, формулиран в края на XVII в., е формирал представите ни за движението на обектите. Според този закон всички обекти остават в покой или в равномерно праволинейно движение, освен ако не им въздейства външна сила. Когато обаче навлезем в квантовия свят, този закон изглежда поставен под въпрос.

В квантовия свят правилата се променят. Законите на Нютон се заменят с подобни правила на квантовата теория. Принципът на неопределеност на Хайзенберг, който е в основата на квантовата механика, гласи, че положението и инерцията на даден обект никога не могат да бъдат едновременно измерени със съвършена точност. Това затруднява точното определяне на движението на даден квантов обект.

Светлината като тест?

Японската изследователска група е провела интересен експеримент, за да провери дали праволинейното движение е правило, което може да бъде пренесено от класическата физика в квантовата физика. За квантов обект е използван фотон – отделна единица светлина.

Фотонът е сингулярна частица. Той няма маса и се движи с най-високата възможна скорост. При експеримента фотонът е създаден с помощта на лазер и преминава през няколко лещи и процепи, преди да попадне в детектор.

Изследователите откриха, че измерванията от експеримента не съвпадат с прогнозите, базирани на уравнението на квантовата теория, което имитира първия закон на Нютон. Разминаването между прогнозите и действителните измервания е 45%. Това означава, че фотонът не се е държал така, както е предсказано от закона на Нютон. Вместо да се движи по права линия, фотонът изглежда се е движил по по-различен път.

Тези резултати показват, че квантовите частици, като фотоните, не се подчиняват непременно на същите правила за движение, които се наблюдават в макроскопичния свят. Следователно законите на Нютоновата физика, които точно описват движението на големите обекти, не са изцяло приложими към квантовия свят.

Тълкуванията си остават теоретични

Интерпретацията на резултатите от този експеримент е сложна. Квантовите закони обикновено съдържат статистическа информация, т.е. информация за поведението на много частици, а не на една. Това означава, че макар да можем да предскажем средното поведение на група частици, прогнозирането на поведението на отделна частица е много по-трудно. Поради това е сложно да се разбере по какъв начин допускането за праволинейно движение може да бъде нарушено за отделна частица.

Нов начин за разбиране на тези резултати може да се крие в преосмислянето на природата на самия фотон. Вместо да разглеждаме фотона като твърда частица, можем да го разглеждаме като една по-флуидна същност, способна да се разделя или да „изчезва“ при движението си. Този възглед може да помогне да се обясни защо фотонът не се движи по права траектория, както предвижда законът на Нютон. Тази гледна точка обаче все още е на етап теория и изисква допълнителни изследвания и експерименти за потвърждаването ѝ.