Ученые из Китая впервые экспериментально подтвердили теорию Ричарда Фейнмана 1948 года. С помощью сложной оптической системы они доказали, что квантовая частица движется по всем возможным путям одновременно.
Ключевые тезисы:
- Исследователи реконструировали более 1,4 миллиона возможных маршрутов для одиночных фотонов.
- Эксперимент подтвердил, что все траектории вносят равный вклад в итоговый результат.
- Метод поможет в дальнейшем изучении движения частиц сквозь твердые материалы.
Почти 80 лет физики рассчитывали поведение элементарных частиц, опираясь на теорию Ричарда Фейнмана, которую никто не мог проверить на практике. Теперь исследователям из Китая впервые удалось подтвердить этот фундаментальный мысленный эксперимент в лаборатории, используя одиночные частицы света.
Мысленные эксперименты всегда оставались главным инструментом квантовой механики. Знаменитый кот Шредингера или классический опыт с двумя щелями наглядно показывали, что частицы способны существовать в нескольких состояниях одновременно и меняют свое поведение при прямом наблюдении.
В 1948 году Ричард Фейнман предложил новый способ описания того, как квантовая частица добирается из одной точки в другую. Его концепция «интеграла по траекториям» утверждает, что частица не выбирает один-единственный маршрут. Вместо этого в итоговый результат вносят вклад абсолютно все мыслимые пути, складываясь вместе. Фейнман также заявил, что каждая из этих траекторий имеет одинаковую вероятность, а отличаются они лишь фазой квантовых волновых функций. Десятилетиями наука воспринимала это как надежное рабочее допущение, но экспериментального подтверждения у него не было.
Поскольку фиксировать фотоны напрямую невероятно сложно, проверять давнюю гипотезу пришлось обходными путями. Команда под руководством Ши-Ляна Чжу из Южно-китайского педагогического университета в Гуанчжоу решила положить конец слепой вере в теоретические допущения. Результаты их работы опубликованы в журнале Science Advances.
Наблюдать за траекторией фотона напрямую нельзя — любое вмешательство разрушит его текущее состояние. Поэтому ученые измеряли амплитуду вероятности: величину, которая показывает шансы частицы пойти по конкретному маршруту, объединяя данные о размере и времени. Физики собрали сложную установку из зеркал, линз и кристаллов. Пропуская через нее одиночные фотоны и тщательно фиксируя сдвиги их свойств, команда смогла реконструировать амплитуды для 1 419 857 возможных путей.
Собрать такой массив данных — процесс технически сложный и трудоемкий. В системе с более чем миллионом вариантов любая крошечная погрешность мгновенно разрасталась бы как снежный ком, превращая результат в информационный шум. Чтобы избежать этого, исследователям пришлось модернизировать практически каждый этап измерений, добившись беспрецедентной точности комбинирования данных.
Результат эксперимента принес не очередную порцию головоломок, а безупречное подтверждение давних расчетов Фейнмана. Итоговые вероятности действительно формировались из сложения всех путей, где каждый маршрут обладал абсолютно равным весом, а фазы строго определялись классической траекторией частицы.
Подобный уровень точности открывает новые возможности для квантовых измерений и обосновывает десятилетия стандартных вычислений. Теперь команда Чжу надеется, что предложенную методику адаптируют для изучения других физических систем. В частности, это поможет выяснить, как именно комбинируются пути фотонов при прохождении через плотные материалы, а не только сквозь пустое пространство.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
FAQ: Часто задаваемые вопросы
Правда ли, что квантовая частица движется по всем путям сразу?
Да, именно так устроен квантовый мир. Эксперимент полностью подтвердил знаменитую гипотезу Ричарда Фейнмана. Частица не выбирает какой-то один маршрут. Она перемещается по всем возможным траекториям сразу, и каждый такой путь вносит абсолютно равный вклад в ее итоговое положение.
Как ученым удалось отследить более миллиона маршрутов фотона?
Они не пытались следить за частицей напрямую. Если бы физики попробовали поймать фотон на конкретном маршруте, они бы мгновенно разрушили его квантовое состояние. Вместо этого ученые пустили свет через сложную систему зеркал и кристаллов. Они измеряли не само движение частицы, а амплитуду вероятности для каждого пути, аккуратно собирая общую мозаику точными приборами.
Окончательное ли это доказательство теории?
В физике редко говорят «окончательное», но это сильнейшее подтверждение за последние полвека. Ученые получили невероятно точные доказательства гипотезы, которая десятилетиями оставалась лишь на бумаге. Теперь метод Чжу хотят протестировать в совершенно других, более сложных условиях — например, заставив фотоны пробиваться сквозь твердые материалы.
Источник: Yong-Li Wen et al, Direct experimental test of Feynman’s path integral postulates with single photons, Science Advances (2026).
Читайте также: Квантовая механика в саркофаге: почему мы так хотим верить, что древние египтяне знали физику лучше нас