Найкоротша відстань між двома точками — це пряма лінія, але найкоротша відстань не завжди означає найменшу роботу. Що, якщо ця відстань пролягає прямо в гору або через складну місцевість? Якщо ви прагнете виконати найменшу роботу, пряма лінія не завжди може бути вашим найкращим вибором. Люди не завжди шукають найпростіший шлях. Але коли йдеться про природні рухи в системах, один із фундаментальних законів фізики говорить, що об’єкти завжди рухатимуться маршрутом, який вимагає найменших дій. У фізиці «дія» має відношення до таких речей, як енергія, імпульс, відстань і час.
Загалом, без зовнішнього втручання об’єкти рухаються шляхом найменшого опору та найменших змін. Це називається принципом найменшої дії. Ми знаємо, що це стосується нашого повсякденного світу, а тепер, завдяки новому дослідженню, ми знаємо, що це також можна застосувати у квантовому світі.
«Остання мрія фізика — написати таємниці всього Всесвіту на маленькому аркуші паперу, і принцип найменшої дії має бути в списку», — сказав Ши-Лян, один із дослідників проєкту, у статті. «Нашою метою було «побачити» [принцип] у квантовому експерименті».
Легше сказати, ніж зробити. Дослідницькій групі з Південнокитайського педагогічного університету довелося змиритися з тим фактом, що не тільки все у квантовій царині мало і важко побачити, рух квантових частинок складний — справді складний. По-перше, квантові стани змінюються, коли їх вимірюють. А з іншого боку, їх можна нанести лише за допомогою дуже складної математики.
Щоб найкраще описати їх поведінку, вчені використовують комбінацію двох речей: хвильової функції та пропагатора. Хвильові функції описують стан частинки, а пропагатори описують, як цей стан змінюється під час руху частинки в системі. Проблема в тому, що хвильові функції та пропагатори є суто математичними, і хоча вони чудово описують поведінку квантових частинок, вони часто роблять це за допомогою уявних чисел. Уявні числа добре підходять для математики, але за визначенням їх неможливо виміряти.
Щоб обійти цю проблему, команда використала методику, розроблену кілька років тому. У цій техніці ви, в основному, відбиваєте та фільтруєте окремі квантові частинки світла, які називаються фотонами, через лабіринт із дзеркал, кристалів і лінз. Зрештою, частини поведінки фотона, описані уявними числами, відповідатимуть фактичним вимірним властивостям. Частини, які спочатку були описані звичайними дійсними числами, також можна буде виміряти, і дослідники зможуть реконструювати форми хвиль і пропагатори з фактичних виміряних даних.
Після того, як лабіринт було побудовано, дослідники поєднали цю техніку з новою, яку вони розробили, щоб здебільшого уникнути проблеми «квантової зміни стану під час спостереження». Потім вони відправили окремі фотони через лабіринт і порівняли їхню поведінку з поведінкою, передбаченою принципом найменшої дії, і виявили, що реальність узгоджується з теорією, доводячи, що квантові частинки насправді дотримуються цього принципу.
«Вимірювання в цьому експерименті досить неймовірні, і вони не ставлять під сумнів наше поточне розуміння квантової фізики», — сказав Джонатан Ліч, дослідник квантової науки, який не брав участі в дослідженні, у статті New Scientist. «Приємно бачити, як ця теорія втілюється в життя в експерименті».
Є багато місць, де квантовий світ і повсякденний світ не збігаються. Це частина того, чому дослідники все ще прагнуть покращити поточну стандартну модель фізики. Але в їхньому бажанні уникати дій, наскільки це можливо, квантове і повсякденне ідеально синхронізуються.