Вопрос о том, являются ли квантовые объекты волнами или частицами, остаётся одной из центральных загадок квантовой механики на протяжении более века. Корпускулярно-волновой дуализм лежит в основе множества физических явлений, от интерференции до квантовой запутанности, и представляет собой фундаментальный парадокс: квантовый объект может проявлять как волновые свойства, так и свойства частицы, в зависимости от условий наблюдения. Однако до последнего времени не существовало полной количественной модели, описывающей это поведение с высокой точностью.
Команда физиков из Технологического института Стивенса разработала элегантную математическую формулу, способную точно измерить и описать переход квантового объекта между волной и частицей. Это достижение, опубликованное в журнале Physical Review Research, стало результатом десятилетий теоретических исследований и предлагает новый уровень понимания основ квантовой природы материи.
Ключевой инновацией стало введение переменной когерентности — меры, отражающей способность квантового объекта к интерференции. В отличие от прежних моделей, ограничивавшихся неравенствами, в которых сумма видимой волновости и предсказуемости не превышала единицу, новая формула позволяет рассчитать точное соотношение между волной и частицей. Это соотношение можно отобразить на графике, где идеально когерентное состояние образует четверть окружности, а менее когерентные — уплощённые эллипсы. Таким образом, дуализм получил геометрическое и количественное описание в рамках единой модели.
Модель также объясняет, почему одновременно усиливающиеся волновые и корпускулярные свойства невозможны. Они являются взаимно исключающимися проявлениями квантовой природы объекта. С введением понятия условной видимости, которая показывает, насколько волновые свойства могут быть извлечены при учёте текущей когерентности, стало возможным построить строгое уравнение, в котором все три параметра — волновость, корпускулярность и когерентность — в сумме дают единицу. Это превращает абстрактный принцип квантового дуализма в инструмент точной диагностики.
Практическое значение этой теории выходит за пределы фундаментальной науки. Исследователи применили её к методу квантовой визуализации с недетектированными фотонами. В этом подходе одна частица из пары запутанных фотонов взаимодействует с объектом, а вторая — измеряется. Изменения когерентности позволяют реконструировать форму апертуры или исследуемого тела. Даже при внешнем шуме, снижающем абсолютную когерентность, сравнение между двумя путями сохраняет различие, позволяющее восстановить визуальное изображение.
Такой метод особенно перспективен для квантовой томографии, медицинской визуализации, дефектоскопии и разведки материалов, где прямое взаимодействие может быть нежелательным или невозможным. Кроме того, возможность измерения и управления когерентностью в режиме реального времени открывает путь к новым типам квантовых вычислений, в которых управление дуализмом будет не побочным эффектом, а основным вычислительным ресурсом.
В дальнейших исследованиях планируется изучение поведения дуализма в многокомпонентных квантовых системах с несколькими путями прохождения. Такие сценарии являются более реалистичными для будущих квантовых сетей, распределённых вычислений и квантового шифрования. Важно не только наличие дуализма, но и понимание его эволюции в сложных условиях — например, при наличии запутанных состояний, взаимодействий с окружением и декогеренции.
Сочетание фундаментальной строгости и прикладной ценности делает новую модель универсальным инструментом, который, возможно, изменит и подход к преподаванию квантовой механики, и методы проектирования квантовых устройств. Отныне волна и частица — не просто метафора, а точно измеряемые параметры в уравнении, раскрывающем ещё одну грань загадочной, но логичной квантовой Вселенной.
А затем «Добавить на главный экран». 