Нулевое движение атомов: новый взгляд на фундаментальные законы физики – приготовьтесь к открытиям

Ученые из Университета Гёте во Франкфурте совершили прорыв в физике, впервые получив возможность напрямую измерить нулевое движение атомов в молекулах, находящихся в самом низком квантовом энергетическом состоянии. Это достижение, которое ранее считалось невозможным, открывает новые горизонты в понимании квантовой механики и поведения материи на атомном уровне. Исследование, опубликованное в престижном научном журнале, демонстрирует удивительные свойства квантового мира.

Согласно классической физике, молекулы, лишенные тепловой энергии, например, при абсолютном нуле, должны находиться в состоянии абсолютного покоя. Однако квантовая физика предсказывает, что атомы в молекулах продолжают двигаться даже в таком состоянии. Это явление, известное как нулевое движение, связано с нулевой энергией — минимальной энергией, допустимой квантовой механикой даже в основном состоянии.

"Это нулевое движение — чисто квантовомеханический феномен, не имеющий классического объяснения", — заявил профессор Тилль Янке из Института ядерной физики Университета Гёте во Франкфурте и Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, подчеркивая уникальность данного явления.

Прямое измерение нулевого движения долгое время считалось невозможным из-за нескольких серьезных препятствий. Помимо сложностей, связанных с охлаждением образцов до абсолютного нуля, главным препятствием был принцип неопределенности Гейзенберга. Он гласит, что невозможно одновременно измерить положение и скорость квантовой частицы с абсолютной точностью.

"Это как наблюдать танец, не имея возможности одновременно увидеть, где именно находится танцор и с какой скоростью он движется — вам всегда приходится выбирать что-то одно", — поясняют авторы исследования, описывая сложности, связанные с измерениями в квантовом мире.

Сложность эксперимента: многоатомные молекулы

Дополнительной сложностью являлась необходимость измерения свойств нескольких атомов в одной молекуле, особенно когда эта молекула состоит из большого количества атомов. В выбранном для исследования йодпиридине одиннадцать атомов колеблются в 27 различных режимах, что значительно усложняло задачу.

Для преодоления всех этих трудностей команда исследователей получила доступ к самому мощному в мире рентгеновскому лазеру — European XFEL, расположенному в Гамбурге. Использование этого инструмента стало ключевым фактором успеха.

Ученые применили метод кулоновского взрывного изображения. Они облучили образец йодпиридина сверхкороткими и высокоинтенсивными рентгеновскими импульсами, что вызвало контролируемый "взрыв" молекул. Мощный рентгеновский импульс выбивал из молекулы множество электронов, заставляя атомы отталкиваться друг от друга, разлетаясь за доли триллионной доли секунды. В этот краткий момент специальное устройство фиксировало время столкновения и положение атомов, что позволило восстановить исходную структуру молекулы.

Результаты: подтверждение нулевого движения и согласованность

Эксперимент подтвердил наличие нулевого движения атомов, что стало настоящим прорывом. Ученые не только зафиксировали этот "атомный танец", но и обнаружили неожиданный эффект: атомы двигались согласованно, демонстрируя определенные паттерны.

"Самое удивительное в нашей работе — мы увидели, что атомы не просто колеблются по отдельности, а следуют согласованным паттернам", — пояснил Янке, подчеркивая необычайность открытия.

Хотя полученные изображения нулевого движения стали прорывом, история этого открытия началась с другого эксперимента, проведенного в 2019 году.

"Изначально мы проводили измерения под руководством Ребекки Болл в European XFEL, и тогда у нас была совершенно иная задача", — рассказал Янке.

Доктор Грегор Кастирке, разработавший модифицированную версию реакционного микроскопа COLTRIMS для European XFEL, отметил, что участие в таком значимом открытии стало для него важным моментом. Также Янке подчеркнул важность сотрудничества с коллегами из Центра науки о свободно-электронных лазерах в Гамбурге, которые разработали новые методы анализа данных, что "вывело интерпретацию данных на совершенно новый уровень".

Будущие исследования: усовершенствование метода и новые эксперименты

Ученые планируют продолжать совершенствовать метод и уже готовят новые эксперименты по изучению нулевого движения, открывая новые перспективы для понимания фундаментальных законов природы.

Интересные факты о квантовой физике:

• Квантовая физика описывает мир на уровне атомов и элементарных частиц.
• Квантовая запутанность — это явление, при котором две частицы связаны друг с другом, независимо от расстояния между ними.
• Квантовая физика является основой для многих современных технологий, таких как лазеры и компьютеры.
• Принцип неопределенности Гейзенберга — фундаментальный принцип в квантовой механике.

Открытие прямого измерения нулевого движения атомов в молекулах является важным достижением в области физики. Оно расширяет наши знания о квантовом мире и открывает новые перспективы для будущих исследований.