В мире атомов не работают законы Ньютона — то, что нашли физики, переворачивает картину

Гитара, качели на детской площадке, мяч — все эти привычные объекты подчиняются законам классической физики Ньютона. Их колебания постепенно затухают, и этот процесс хорошо изучен. Но стоит перенести взгляд в мир атомов, и привычные правила перестают работать. Здесь действуют законы квантовой физики — парадоксальные и непредсказуемые.

Учёные давно пытались понять: существует ли в квантовом масштабе аналог тех же вибраций струны или качелей? И если да, можно ли описать их точной моделью?

Решение старой задачи

7 июля 2025 года в журнале Physical Review Research вышла работа профессора Вермонтского университета Денниса Клогерти и его аспиранта Нама Диня. Им удалось найти точное решение для квантового аналога затухающего гармонического осциллятора — системы, о которой теоретики безуспешно размышляли почти 90 лет.

"Сложность заключается в сохранении принципа неопределенности Гейзенберга, фундаментального принципа квантовой физики", — объяснил профессор Клогерти, работающий в университете с 1992 года.

От Лэмба к квантам

В основе исследования — модель, предложенная британским физиком Горацием Лэмбом ещё в 1900 году. Он рассматривал, как частица в твёрдом теле теряет энергию, излучая упругие волны. С точки зрения классики это выглядело логично: энергия уходит на трение и сопротивление среды. Но на квантовом уровне всё оказалось куда сложнее.

"В классической физике известно, что при вибрации тела теряют энергию из-за трения, сопротивления воздуха и так далее. Но в квантовом режиме это не так очевидно", — отметил Нам Динь.

Многомодовое преобразование и "сжатый вакуум"

Чтобы сохранить принцип неопределённости, исследователи учли взаимодействие атома с другими атомами твёрдого тела. Они применили многомодовое преобразование Боголюбова, которое позволило точно описать систему и вывести её свойства.

Результатом стал так называемый "многомодовый сжатый вакуум". Иными словами, физики нашли математическую форму, где колебания атома можно описать без противоречий с квантовыми законами.

Что это даёт

Работа учёных имеет прикладной потенциал. Она показывает, как неопределённость в положении атома меняется при его взаимодействии с другими атомами.

"Уменьшив эту неопределённость, можно измерить положение с точностью ниже стандартного квантового предела", — подчеркнул профессор Клогерти.

Такие подходы лежат в основе ультратонких сенсоров, способных фиксировать изменения на расстоянии меньше размеров атомного ядра. Подобные технологии уже позволили создать первые детекторы гравитационных волн, за что в 2017 году была вручена Нобелевская премия.

Открытие Клогерти и Диня может привести к появлению новых методов квантовых измерений и сенсоров будущего. А ведь началось всё с попытки "услышать" затухающую струну в мире атомов.