Законы Ньютона перестают работать: новое открытие объясняет скрытый порядок атомов

Струна гитары, качели во дворе или мяч, падающий на землю — все эти привычные примеры движения описываются законами Ньютона. Они теряют энергию и постепенно останавливаются. Физики называют такие процессы "затухающими гармоническими осцилляторами". Но стоит заглянуть в мир атомов — привычная логика перестаёт работать. Здесь правят законы квантовой механики, и они куда более причудливы.

Поиск квантового аналога

Профессор Университета Вермонта Деннис Клоэрти вместе со своим студентом Намом Динем задались вопросом: а существуют ли в квантовом мире аналоги гитарной струны? "Если да, то можем ли мы построить квантовую теорию затухающего гармонического осциллятора?" — рассуждал Клоэрти.

Их исследование, опубликованное 7 июля 2025 года в журнале Physical Review Research, дало неожиданный результат: они нашли точное решение модели, описывающей поведение квантового аналога осциллятора.

Проблема, которой почти век

Попытки описать такие системы предпринимались с 1930-х годов, но безуспешно. Главным препятствием был знаменитый принцип неопределённости Гейзенберга, который не позволяет одновременно точно измерить положение и импульс частицы.

"Сложность заключается в сохранении принципа неопределённости Гейзенберга, основополагающего принципа квантовой физики", — подчёркивает профессор Клоэрти.

От Лэмба к Вермонту

Интересно, что исходная модель, с которой работали учёные, была предложена ещё в 1900 году британским физиком Горацием Лэмбом. Он исследовал, как колебания частицы в твёрдом теле передают энергию окружающей среде и приводят к постепенному затуханию. Тогда это объяснялось законами Ньютона. Но в квантовой реальности, как отмечает Нам Динь, всё куда сложнее: "В классической физике тела теряют энергию из-за трения, сопротивления воздуха и так далее. Но в квантовом режиме это не так очевидно".

Решение через математику

Клоэрти и Динь переформулировали модель Лэмба, чтобы она соответствовала квантовой картине. Для этого они использовали многомодовое преобразование Боголюбова, которое позволило "диагонализировать" систему и описать её свойства. В итоге возникло особое состояние — "многомодовый сжатый вакуум".

"Чтобы сохранить принцип неопределённости, необходимо подробно учитывать взаимодействие атома со всеми остальными атомами в твёрдом теле", — поясняет Клоэрти.

Зачем всё это?

Главное практическое следствие — возможность сверхточных измерений. Учёные предсказывают, как изменяется неопределённость положения атома при взаимодействии с другими атомами. Если её уменьшить, можно измерять координаты частиц с точностью ниже стандартного квантового предела.

Именно такие методы когда-то легли в основу детекторов гравитационных волн, способных фиксировать изменения расстояний, меньших диаметра атомного ядра. За это открытие в 2017 году была вручена Нобелевская премия. Теперь же исследование из Вермонта открывает дверь к новым квантовым сенсорам и технологиям, которые ещё недавно казались невозможными.