Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 17 от 8 мая 2007 года

Странные вещи вот уже скоро сто лет как творятся вокруг квантовой теории. Все физики пишут одни и те же уравнения, одинаково их решают, сравнивают расчеты с показаниями похожих приборов и неизменно получают хорошее согласование теории с опытом. Но как только дело доходит до разъяснений, что же все это на самом деле значит, начинаются жаркие споры. И точек зрения тут не меньше, чем различных философских концепций. Слишком уж расходится поведение микромира с нашим житейским опытом. Имеется больше десятка различных интерпретаций квантовой теории, включая такие крайности, как утверждение о существовании многих параллельных вселенных или о наличии свободы воли у каждой элементарной частицы. Удивительно, как испытывающая те или иные трудности наука начинает походить на религию. Те же догматы веры, те же ссылки на непререкаемые авторитеты и разная трактовка их изречений. Что ж, люди везде одинаковы.

Еще в тридцатые годы прошлого века, во времена становления квантовой теории, которая шокировала физиков, привыкших мыслить классически, принципиально вероятностным характером своих предсказаний, Альберт Эйнштейн предположил, что квантовая механика не полностью описывает реальность. Должна существовать более совершенная теория с дополнительными, пока скрытыми от нас переменными, которая позволит однозначно предсказывать исход каждого опыта. Причем эти переменные локализованы в пространстве, то есть удаленные частицы не могут влиять на результаты опыта.

Сегодня точку зрения Эйнштейна трактуют как концепцию "локального реализма". Долгое время она оставалась рабочей гипотезой, пока в шестидесятые годы ирландский физик Джон Белл не доказал теорему, выводы которой позволяют экспериментально отличить предсказания квантовой механики от предсказаний любой возможной теории с локальными скрытыми переменными. Для этого достаточно измерять, например, поляризацию пары первоначально "запутанных", а потом улетевших далеко друг от друга фотонов. С конца семидесятых годов такие эксперименты научились проделывать, и они неизменно подтверждали квантовую теорию, которая предсказывает более тесную взаимозависимость запутанных удаленных частиц. От Эйнштейновской концепции "локального реализма" пришлось отказаться. При этом реализм пока решили оставить, пожертвовав лишь локальностью теории.

Но четыре года тому назад теоретик из Иллинойского университета Тони Леггет (Tony Leggett) показал, что даже если отказаться от локальности возможных теорий со скрытыми переменными, то заметная их часть все же будет давать предсказания, отличные от предсказаний квантовой теории. Венская группа обобщила теоретические результаты Леггета и проверила их экспериментально, измеряя тонкие свойства поляризации запутанных фотонов. Опять победила квантовая механика, и авторы на страницах престижного журнала Nature сделали радикальный вывод о том, что теперь придется отказаться еще и от реализма.

Комментируя их статью в том же журнале, известный своими экспериментами по проверке выводов теоремы Белла французский физик Алан Аспект (Alain Aspect) не согласился с этими выводами. По его мнению, пока нет достаточных оснований отказываться от реализма, хотя философские взгляды скорее дело вкуса, чем логики, и не имеют отношения к науке. Но, во всяком случае, вне зависимости от интерпретации авторов, новые эксперименты весьма полезны для лучшего понимания основ квантовой теории. В последние годы их изучение стимулируется новыми задачами, возникающими в теории квантовых коммуникаций и квантовых вычислений. Будем надеяться, что жаркие споры между учеными, переживающими сегодня, со слов Аспекта, "вторую квантовую революцию", вскоре приведут к новой технологической революции, которая будет инициирована появлением коммерчески доступных квантовых компьютеров. ГА

Очередной рекорд разрешения метода магниторезонансной силовой микроскопии (МРСМ) поставили ученые из Альмаденского исследовательского центра корпорации IBM. Новый микроскоп теперь позволяет получать трехмерные изображения объектов с разрешением всего в сотню атомов.

Атомно-силовой микроскоп, сканируя своей колеблющейся иголкой поверхность образца, может различать отдельные атомы, но не способен заглянуть внутрь материала. В свою очередь, метод ядерного магнитного резонанса позволяет получать объемные изображения объектов, но его предельное разрешение на сегодня около трех микрон. Идея объединить эти два подхода, дабы увидеть, что происходит внутри, например, у транзистора с точностью до каждого атома примеси, пришла в голову ученым около пятнадцати лет тому назад. Но пока эта голубая мечта остается недостижимой, хотя прогресс налицо.

Еще три года тому назад исследователям IBM с помощью МРСМ-микроскопа удалось зарегистрировать сигнал от одного-единственного электрона. Для этого на кончике иглы атомно-силового микроскопа закрепили миниатюрный магнит, спин электрона крутили радиосигналами, а с помощью лазерного интерферометра регистрировали, как от этого меняется частота колебаний иголки. Но магнитный сигнал от одного тяжелого протона в шестьсот раз слабее, чем от легкого электрона, не говоря уже о более тяжелых ядрах других химических элементов.

В новых экспериментах ученые решились на радикальный шаг – образец и магнит поменяли местами. Миниатюрный образец закрепили на колеблющейся балке длиной 120 мкм, а вдоль него стали перемещать острие мощного магнита. Это позволило добиться рекордного пространственного разрешения в 90 нм (в тридцать раз выше, чем у лучших ЯМР-сканеров), разумеется, ценой сложности приготовления миниатюрного среза образца и настройки системы.

И хотя до объемного разрешения в один атом еще далеко, экспериментаторы не унывают и надеются на появление новых радикальных идей, которые, наконец, позволят достичь желаемой цели. А вожделенные трехмерные изображения помогли бы решить множество проблем не только в полупроводниковой индустрии, но и в биологии с медициной. ГА

Физики из Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми, которая располагает крупнейшим в мире протонно-антипротонным коллайдером Tevatron, представили на очередной сессии Американского физического общества ряд любопытных экспериментальных результатов. Кевин Лэннон (Kevin Lannon) заново измерил массу топ-кварка, самого тяжелого и самого нестабильного из шести кварков, существующих в природе. Когда этот кварк был открыт в 1995 году, его массу оценили примерно в 180 ГэВ. По данным Лэннона, она несколько меньше, 170,9 ГэВ (с погрешностью до одного процента). Для сравнения: примерно такова же масса ядра вольфрама. Ученые пока не могут понять, каким образом Природа ухитрилась наделить частицу размером не более 10–18 метра той же массой, что и ядро одного из тяжелых металлов (которое больше на восемь порядков!). Лэннон также описал последовательность реакций, в ходе которых топ-кварки рождаются при столкновениях протона и антипротона посредством слабого взаимодействия (ранее их удавалось получать в тех же столкновениях только при участии сильного взаимодействия, которое делает рождение топ-кварка куда более вероятным).