Может ли частица быть одновременно в двух разных местах? В квантовой физике — да: частицы могут существовать в состоянии суперпозиции, сочетая разные возможные состояния. Но что, если частица на самом деле всегда находится в одном определённом состоянии, а мы просто этого не знаем?
Этот вопрос обсуждается уже много лет, и в 1985 году появился способ это проверить — «неравенство Леггетта-Гарга». Согласно этому неравенству, если наш мир можно описать без странных квантовых суперпозиций, тогда оно должно соблюдаться. Однако квантовая теория его нарушает. Первые эксперименты с нейтронами, проверяющие это неравенство, были проведены в Техническом университете Вены, и результаты подтвердили нарушение неравенства, что исключает классические объяснения и подтверждает квантовую теорию. Эти данные опубликованы в Physical Review Letters.
В обычной жизни мы привыкли, что каждый объект имеет конкретные свойства: мяч, например, имеет определённое местоположение, скорость и, возможно, вращение, независимо от того, наблюдаем мы за ним или нет. Это представление называется "реализм". Считается, что для макроскопических объектов, которые можно наблюдать без значительных изменений их состояния, это всегда верно. Эти предположения известны как "макроскопический реализм".
Однако квантовая теория утверждает, что объекты могут существовать в суперпозиции состояний, пока не будут измерены. Измерение разрушает это состояние, заставляя объект выбрать одно из возможных состояний. Тем не менее, так как макроскопические объекты состоят из квантовых частиц, они также должны подчиняться квантовым законам.
Но может ли большой объект демонстрировать квантовые свойства, нарушая интуитивные представления о макроскопическом реализме? Этот вопрос в 1985 году попытались решить Энтони Джеймс Леггетт и Анупам Гарг, предложив "неравенство Леггетта-Гарга". Оно напоминает более известное «неравенство Белла», касающееся запутанных частиц. Но неравенство Леггетта-Гарга фокусируется на одном объекте и измеряет корреляцию его состояний в разные моменты времени.
Леггетт и Гарг предложили измерять объект в три разные временные точки и проверять, насколько коррелируют результаты. При соблюдении макроскопического реализма эта корреляция не может превысить определённый уровень. Однако квантовая теория предсказывает более сильные корреляции, если объект может находиться в разных состояниях между измерениями.
Провести такой эксперимент непросто, поскольку объект должен быть достаточно большим, чтобы быть видимым макроскопически, и при этом обладать шансом проявить квантовые свойства. Нейтронные пучки, используемые в нейтронном интерферометре в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, оказались подходящими. В этом интерферометре нейтроны могут следовать двумя путями одновременно, разделяясь на несколько сантиметров, что делает их «огромными» по квантовым меркам.
Команда TU Wien использовала сложные методы измерения и подтвердила нарушение неравенства Леггетта-Гарга. Это значит, что нейтроны действительно могут находиться в нескольких местах одновременно, как предсказывает квантовая теория. Идея, что нейтрон выбирает только один путь, но мы просто не знаем, какой, оказалась неверной.
