Можно объединить несколько квантовых состояний, каждое из которых почти не содержит энергии, чтобы получить одно квантовое состояние с неожиданно энергонасыщенными областями.

Оригинал статьи

Согласно новым расчётам, в квантовой механике целое может быть значительно больше суммы своих частей. Учёные предполагают, что несколько низкоэнергетических квантовых состояний можно объединить в одно состояние, содержащее области, энергия в которых в десятки раз превышает энергию исходных компонентов. Это открытие может в будущем найти практическое применение — например, при создании более совершенных микроскопов с высоким разрешением.

Одно из самых поразительных открытий квантовой механики заключается в том, что любой объект может проявлять свойства волны — если условия подобраны правильно. Однако математическое описание того, что значит быть волной, таит в себе множество странностей. Эндрю Джордан (Andrew Jordan) из Университета Чепмена (Калифорния) и его коллеги обнаружили новый способ использовать некоторые из этих квантовых «аномалий», создавая состояния, которые по расчётам должны обладать крайне малой энергией, но на деле оказываются значительно более энергоёмкими.

Их идея основана на работах Якира Ахаронова (Yakir Aharonov) — также из Университета Чепмена — соавтора нового исследования. Ещё в 1990-х годах Ахаронов и его коллеги открыли феномен, называемый «сверхосцилляциями» (superoscillations). Любую волну — будь то вибрация гитарной струны или световая волна — можно разложить на несколько составляющих синусоидальных волн, каждая из которых колеблется с определённой частотой. Учёные обнаружили, что если «приблизить» лишь небольшой участок основной волны, то иногда сумма этих составляющих волн может колебаться гораздо быстрее, чем самая быстрая часть исходной волны — создавая зону сверхосцилляции.

На первый взгляд это может показаться не особенно удивительным, но, как отмечает Эндрю Джордан (Andrew Jordan), на практике эффект имеет неожиданные последствия. Например, он предполагает, что можно взять волну красного света (с относительно низкой частотой) и найти в ней область, где колебания происходят с более высокой частотой — визуально она будет выглядеть как синяя. Этот феномен впоследствии действительно был подтверждён экспериментально.

Теперь Джордан развил эту идею, распространив её на другие квантовые «сверхповедения», используя волновую природу квантовых объектов.

В новом исследовании он и его коллеги математически доказали, что так же, как составляющие обычной волны могут складываться в один участок с неожиданно быстрыми колебаниями, несколько квантовых состояний с почти нулевой энергией могут объединяться в состояние, имеющее область с очень высокой энергией. По словам Джордана, идея носит универсальный характер, и их новая работа фактически даёт «рецепт» того, как применить этот принцип к любому вашему любимому квантовому свойству.

Этот феномен, получивший название «сверхэнергия» (superenergy), можно будет проверить экспериментально — и он может найти применение в световых экспериментах, а также при разработке новых типов оптических систем и устройств визуализации. Однако, как отмечают учёные, эффект проявляется довольно редко, поэтому для его наблюдения потребуется проводить множество повторных экспериментов.

Майкл Берри (Michael Berry) из Бристольского университета (Великобритания), участвовавший в ранних исследованиях сверхосцилляций, отмечает, что все расчёты основаны на «ортодоксальной квантовой механике, применённой нетрадиционным образом». Такой подход позволяет делать предсказания о квантовых свойствах, выходящих за пределы того, что ранее считалось возможным. Он также добавляет, что в квантовом мире существует множество родственных странных явлений — например, серия волн, движущихся вперёд, может складываться в волну, которая в некоторых областях движется назад.

Джордан намерен продолжить поиски подобных необычных явлений. Он уже сотрудничает с экспериментальными физиками, которые, возможно, смогут подтвердить существование «сверхэнергии» в лабораторных условиях.