Як порахувати кванти

Наші відносини з природою обтяжені насильством не тільки тоді, коли ми, як тепер висловлюються, порушуємо екологічну рівновагу. Таємниці у природи ми часто не просто розкриваємо – ми відбираємо, віднімаємо, вириваємо у неї таємниці. Вглиб живої клітини, за секретом структури ДНК біологи проникли як хірурги, а не як рентгенологи, навіть якщо інструментом дослідження служили рентгенівські промені. У пошуках того, що виявилося знаменитою подвійною спіраллю, вчені буквально спалювали клітини. Так буває з об’єктом дослідження не тільки в біології, а й у фізиці, і в хімії. Ми руйнуємо, кажучи образно, будинок, а потім намагаємося судити по руїнах, яким був будинок до того, як на його стіни обрушилися удари чавунної шарбаби.

Щоб зробити навіть найпростіший вимір, доводиться часом якщо не знищувати, так втрачати якраз те, що повинен виміряти.

Дано, скажімо: резонатор енергії надвисокої частоти. Власне кажучи, щось на зразок консервної банки, тільки укладені в ній не бички в томаті або яблучний сік, а енергія у вигляді квантів електромагнітного поля. І немає на нашій банці з енергією наклейки з написом: стільки-то квантів нетто. Але ж як би хотілося дізнатися, який вміст резонатора, скільки в ньому цих самих квантів. Спосіб дізнатися є, і простий – далі нікуди. Треба розкрити «консервну банку», інакше кажучи, зробити в резонаторі отвір, щоб кванти «висипалися» назовні. У отвору поставити лічильник — справа нехитра, є маса цілком придатних конструкцій – і в міру втрати резонатором квантів лічильник буде клацати та клацати, поки, нарешті, не дасть остаточну цифру, не повідомить, скільки ж квантів було в резонаторі, поки він не спорожнів.

Стверджують, що Тамерлан якось, бажаючи з’ясувати, скільки полонених він взяв в одній битві, наказав відрубати всім їм голови, а потім ці голови перерахувати. Чи до лиця фізиці опинятися в положенні стародавнього тирана?

Що ж робити, якщо треба дізнатися, скільки квантів є, а не було, якщо ми хочемо вивчати не минуле резонатора, а сьогодення?

Це потрібно не з чистої цікавості. У тисячі найскладніших і найрізноманітніших експериментальних приладів входить резонатор, не раз і не два може знадобитися з’ясувати число квантів то в одному, то в іншому, в сотому, в тисячному резонаторі… А десь у віддаленому майбутньому можна спробувати уявити собі комп’ютер, що оперує квантами, а це, зрозуміло, можливо, тільки якщо число квантів в будь-який момент визначимо.

Є тут рішення таке, що і лежить близько, і здається досить простим: треба всього-на-всього зробити частину стінки резонатора пружною, що прогинається під тиском зсередини. Ступінь прогину буде залежати від тиску барабанячих по стінках резонатора квантів (частинок-хвиль). Можна вивести формулу цієї залежності.

Так чому ж просте на вигляд рішення ніхто навіть не пробував поки здійснити і навряд чи найближчим часом спробує? Та тому, що воно просте в теорії, зате надзвичайно складне технічно. Занадто тонка залежність між передбачуваним прогином стінки і тиском на неї, занадто важко зробити прилад таким, щоб вимірювання давали точні відповіді. Що ж робити?

Можливо, є інший варіант вирішення завдання, нескінченно більш цікавий теоретично, з одного боку, і технічно менш складний — з іншого (хоча поки що і технічно зовсім не такий вже простий).

Йдеться про те, щоб перерахувати кванти, не випускаючи їх з коробки і не роблячи стіну коробки гнучкою. А просто перерахувати «по головах», як капітан Врунгель перераховував оселедців в риб’ячому стаді.

Є, виявляється, і така можливість. Поки досить далека і все ж така, що наближається з неминучістю. Ключ до цієї можливості дає одне з відкриттів, зроблених ще великим Майклом Фарадеєм, який з’ясував стільки нового про електрику і магнітне поле, світло і безлічі інших речей.

Фарадей відкрив, зокрема, що магнітне поле змінює напрямок коливань світлових хвиль — як кажуть фізики, повертає площину їх поляризації.

Груба аналогія: домашня господиня, струснувши мотузку з білизною, що розгойдується під поривами вітру, змінює характер коливань мотузки.

Є, однак щось на зразок фізичного закону – якщо якесь явище підвладне впливу іншого, то і воно, це перше явище, в свою чергу, може впливати на друге… У фізиці виходить так (знову аналогія): дерева гойдаються, тому що вітер дме, але і вітер часом може подути через те, що дерева гойдаються.

Не доводиться, значить, дивуватися, що був відкритий і «зворотний ефект Фарадея»: здатність світлової хвилі, певним чином поляризованої, намагнічувати речовину, по якій ця хвиля йде. Дивуватися можна швидше іншому – «зворотний ефект» відкрили тільки в 1965 році, через століття з лишком після відкриття Фарадеєм ефекту прямого. Зробили це фізики Ван дер Зілом, Першан і Мальстрем.

А далі… далі, вже в 1980 році, вчені доктор фізико-математичних наук В.Б. Брагінський і кандидат тих же наук Ф. Я. Халілі запропонували використовувати «зворотний ефект» Фарадея для перерахунку квантів.

Береться резонатор зі скловолокна у вигляді прозорого «бублика» — тора, бублика, по якому бігають кванти світла – світла поляризованого, що змінило свої коливання «як треба». І разом з квантами біжить по скловолокну, в силу “зворотного ефекту”, немов би крихітний магніт. Магнітне поле, створюване цим магнітиком, можна виміряти — а розміри поля, зрозуміло, визначаються числом квантів. Виходить, досить піднести до такого резонатора точний магнітометр, щоб перерахувати кванти, при цьому не втративши жодного з них. Але чому ж я говорю про це як про можливість чисто теоретичну? Та з тієї простої причини, що розміри магнітного поля будуть визначатися не одним лише числом квантів, а й матеріалом скловолокна.

Ті речовини, з яких його можна виготовити сьогодні, дозволять квантам створити лише дуже слабкі магнітні поля. Для вимірювань, в яких можна було б перерахувати кванти поодинці, знадобиться скловолокно з іншими властивостями. Що ж – хімії не вперше виконувати замовлення фізики, а природних заборон на речовини, де «зворотний ефект» Фарадея проявляється з особливою силою, немає.

Можна виміряти число квантів, що біжать всередині «бублика», з тим ж застереженням щодо поліпшення деяких властивостей цього волокна — і інакше. Магнітне поле, що біжить разом зі світлом по скловолокну, збуджує електромагнітні коливання на радіочастотах в середовищі, що оточує світловод. Число цих радіоквантів можна виміряти. Оскільки на їх народження йде енергія світлових квантів, то, втративши її, вони повинні змінитися, стати менш енергійними, а ослабілі частинки світла, як відомо, абсолютно певним чином змінюють колір — червоніють. Але, почервонівши, оптичні кванти не змінять своєї чисельності, про яку повідомлять лічильникам їх радіочастотні дітища.

Можна, нарешті, так пов’язати резонатор зі скловолокна зі звичайним металевим резонатором, щоб коливання поля в першому з них породжували в другому коливання надвисокої частоти (СВЧ). Один оптичний квант в сотню тисяч разів важче кванта СВЧ. Зовсім трохи зміняться, ледь-ледь почервоніють кванти в скловолокні, коли кожен з них передасть лічильнику найлегший квант СВЧ. Якщо згадати жорстокий спосіб, яким Тамерлан дізнавався число полонених, то спадає на думку інше порівняння: у кожного бранця відрізали прядку волосся, перев’язували стрічкою і відправили Залізному Хромцю…

Залишається додати, що сама можливість хоча б в майбутньому перераховувати кванти з найбільшою точністю, при цьому не руйнуючи вимірювані їх системи, приваблює вчених все-таки не тільки тонкістю передбачуваних ефектів і не просто заради самих по собі конкретних вимірювань, як би важливі вони не були. Навіть райдужна мрія про «квантовий комп’ютер» – зовсім не головне, що зосереджує на проблемі квантових вимірювань (вона, звичайно, набагато ширше конкретного випадку, про який йде мова). У квантовій механіці “метод” руйнування об’єкта при дослідженні з розмови, про яку розпочато статтю, зведений в принцип, точніше, в два принципи: додатності і невизначеності.

Прилад обов’язково змінює щось при вимірюванні; не можна, неможливо, немислимо виміряти точно відразу дві з кожної пари пов’язаних між собою характеристик будь-якої частинки-хвилі: хочеш дізнатися її енергію — так забудь і думати з’ясовувати, в якій фазі дана частка-хвиля в той же момент знаходиться, і навпаки.

В. Б. Брагінський і Ф. Я. Халілі це обмеження не порушили, визначаючи точно число квантів, а тим самим їх енергію. Вони свідомо відмовляються визначати фазу, в якій кванти знаходяться.

Так що природу вони не обдурили, заборон її не порушили. Вчені «тільки» знайшли спосіб по-новому використовувати для її дослідження наукове відкриття. Адже підкорюють природу, як давно сказано, підкоряючись їй. Дуже важливо, однак, знати межі відпущеної природою влади. Відати, що не можна, навіть якщо дуже хочеться, а що і як можна і потрібно робити. Щоб, врешті-решт, ми навчилися слухати природу, не розриваючи попередньо одушевленого нею зв’язку явищ.

Автор: Р. Подільний.