Частица прошла в «зеркальный мир» и превратилась в квантовую струну: физики приблизились к разгадке 40-летнего парадокса

В квантовой физике частица не всегда обязана оставаться частицей в привычном смысле. Пересекая особую границу между двумя эквивалентными описаниями квантового мира, она может полностью изменить свою форму: пройти сквозь препятствие без отражения и превратиться в нелокальное возбуждение, связанное с границей невидимой квантовой «нитью».

Именно такой процесс обнаружили физики из Гентского, Кембриджского и Оксфордского университетов. Результаты исследования, опубликованные в Nature Physics, предлагают наглядную модель механизма, который десятилетиями оставался преимущественно областью сложных математических построений квантовой теории поля.

Особенно интересно, что работа связана с загадкой, возникшей еще в 1980-х годах при изучении гипотетических магнитных монополей. В обычном магните всегда существуют два полюса — северный и южный. Магнитный монополь, напротив, представлял бы собой объект с единственным магнитным зарядом. Такие частицы предсказываются некоторыми теориями фундаментальной физики, однако достоверно обнаружить элементарный магнитный монополь пока не удалось.

Несмотря на это, монополи давно играют важную роль в теоретической физике. В начале 1980-х Кертис Каллан и Валерий Рубаков исследовали, что должно произойти при взаимодействии электрически заряженной частицы с магнитным монополем. Расчеты привели к странному результату: после рассеяния ожидаемое состояние частицы словно исчезало из привычного набора возможных состояний теории.

Физика не допускает простого исчезновения информации и квантового состояния без объяснения. Поэтому возник принципиальный вопрос: если входящая частица существует, а стандартного исходящего состояния после взаимодействия нет, то во что она превращается?

Позднее теоретики предположили, что частица на самом деле не исчезает. Ее состояние может переходить в особый «скрученный» сектор квантовой теории, который невозможно описать как обычную локализованную частицу. Новое исследование фактически показывает подобное превращение в гораздо более доступной физической системе.

Вместо настоящего магнитного монополя ученые использовали модель квантовой спиновой цепочки. Ее можно представить как последовательность взаимодействующих квантовых элементов, каждый из которых обладает собственным состоянием. Такие системы удобны тем, что позволяют моделировать фундаментальные явления квантовой теории в контролируемых условиях.

В цепочку исследователи ввели так называемый дефект дуальности — особую границу, разделяющую два описания одной и той же физической системы. Термин «дефект» здесь не означает повреждение вещества. Это математически и физически определенная граница, при пересечении которой способ описания квантового состояния меняется.

Ключевую роль играет дуальность Крамерса — Ваннье, первоначально возникшая при исследовании статистической физики и фазовых переходов. В упрощенном виде дуальность позволяет связать две на первый взгляд различные картины одной системы — например, состояние порядка с состоянием беспорядка.

Можно представить два зеркала, показывающих один и тот же объект совершенно разными способами. То, что выглядит простой частицей с одной стороны границы, после перехода на другую сторону уже может не иметь аналогичного локального описания. Физика системы остается согласованной, но «личность» объекта меняется.

Исследователи направили на дефект квантовый волновой пакет — локализованное возбуждение, которое можно рассматривать как модель движущейся частицы. Интуитивно можно ожидать, что при столкновении с границей часть волны пройдет дальше, а часть отразится, подобно свету на поверхности стекла.

Но этого не произошло. Расчеты показали идеальное прохождение: вероятность передачи через дефект достигала 100%. Волновой пакет не отражался от границы, поскольку топологическая природа дефекта фактически не оставляла ему обычного механизма для отражения.

Самое необычное происходило после пересечения. На противоположной стороне появлялась уже не та локальная частица, которая приближалась к дефекту. Возникало нелокальное струноподобное квантовое возбуждение.

Слово «струна» в данном случае не следует путать со струнами из знаменитой теории струн, претендующей на описание фундаментальных частиц и гравитации. Здесь речь идет о протяженной структуре квантового состояния. Частица после прохождения дефекта оказывается словно соединенной с ним невидимым следом.

Именно поэтому авторы используют образ полоски тумана. Объект существует и переносит физическую информацию, однако его уже нельзя полностью описать как отдельную точечную частицу, независимую от окружающей системы. Часть информации о новом состоянии распределена вдоль квантовой структуры, связывающей возбуждение с дефектом.

На бытовом уровне это можно сравнить с человеком, прошедшим через зеркало. Он не исчезает и не остается внутри зеркала, но на другой стороне возникает в форме, которая существует только вместе с оставленным за собой следом. Если смотреть лишь на конечную точку и искать там исходный объект, может показаться, что он пропал. На самом деле изменился сам способ существования состояния.

Это дает новую интерпретацию старого парадокса магнитного монополя. «Пропавшая» частица может не уничтожаться, а переходить в сектор квантовой теории, где ее состояние имеет нелокальную структуру. То, что десятилетиями выглядело математической странностью, теперь можно исследовать как конкретный процесс распространения квантового возбуждения.

В основе работы лежит еще одна важная идея современной физики — квантовая запутанность. Обычно ее представляют как необычную связь между частицами, позволяющую их состояниям оставаться коррелированными даже на расстоянии. Однако запутанность может выполнять гораздо более фундаментальную роль, определяя структуру самого квантового вещества.

Для математического описания таких систем ученые используют тензорные сети. Вместо перечисления состояния каждой частицы отдельно они описывают сеть взаимных квантовых связей. Этот подход особенно эффективен при исследовании сложных систем из множества взаимодействующих элементов.

Дефект дуальности в такой модели описывается оператором матричного произведения — своеобразной одномерной цепочкой связанных тензоров. Обычно внутренние связи такой математической конструкции рассматриваются прежде всего как удобный инструмент вычислений. Новая работа показывает, что соответствующее «виртуальное пространство» можно интерпретировать гораздо физичнее.

У самого дефекта появляется внутреннее квантовое пространство состояний. Оно определяет, каким образом возбуждение пересекает границу и во что превращается после прохождения. Иными словами, скрытые степени свободы дефекта участвуют в изменении идентичности частицы.

Это связано с активно развивающимся направлением исследований неинвертируемых симметрий. Обычная симметрия предполагает преобразование, которое можно обратить и вернуть систему в первоначальное состояние. Некоторые квантовые преобразования устроены сложнее: для них привычной обратной операции может не существовать.

Такие структуры долго воспринимались главным образом как красивый математический аппарат квантовой теории поля. Теперь они приобретают более наглядный физический смысл. Можно создать возбуждение, направить его на соответствующий дефект и непосредственно исследовать результат преобразования.

Особенно важно, что для этого необязательно строить ускоритель элементарных частиц или искать настоящий магнитный монополь. Рассмотренная авторами система представляет собой относительно простую квантовую спиновую цепочку, а значит, необходимые процессы потенциально можно воспроизвести на существующих или создаваемых квантовых симуляторах.

Для экспериментальной реализации могут использоваться холодные атомы, захваченные ионы и сверхпроводящие квантовые процессоры. Эти платформы позволяют создавать искусственные квантовые системы с заранее заданными взаимодействиями и затем наблюдать их эволюцию.

В перспективе физики смогут буквально проследить, как локализованное возбуждение подходит к топологической границе, пересекает ее без отражения и превращается в нелокальное состояние. Это даст возможность экспериментально исследовать процессы, которые ранее существовали преимущественно в формулах теоретической физики.

Работа, конечно, не доказывает существование магнитных монополей и не означает, что обычные элементарные частицы в природе превращаются в видимые струны или облака тумана. Исследователи построили контролируемую квантовую модель, воспроизводящую глубокую математическую структуру, связанную с известным парадоксом.

Но именно в этом и заключается ценность квантового моделирования. Физические системы, которые невозможно непосредственно создать или наблюдать, иногда имеют математических «двойников», доступных эксперименту. Исследуя такого двойника, ученые получают возможность проверять фундаментальные идеи о симметрии, запутанности, топологии и природе квантовых состояний.

В результате загадочное исчезновение частицы получает неожиданно наглядное объяснение. За зеркальной границей она не уничтожается — меняется само понятие того, что следует считать частицей. Локальный объект становится частью более протяженной квантовой структуры, а невидимая «нить», оставшаяся позади, хранит информацию о его переходе между двумя эквивалентными описаниями физического мира.