Наверно, многим далеким от физики людям, читающим научные новости, кажется, что "запутанные состояния" могут существовать только в каких-то специально созданных условиях. Это, конечно, не так, что очередной раз показывает недавняя работа интернациональной группы ученых, свидетельствующая в пользу существования в самых обычных условиях запутанных состояний протонов с аттосекундными временами жизни.

Рис.1. Спектр нейтроного комптоновского рассеяния, полученный с помощью время-пролетных измерений; видно два четких пика, связанных с рассеянием на протонах и рассеянием на углероде и кислороде.

Под запутанными (сцепленными, перепутанными) состояниями в квантовой механике подразумеваются такие состояния системы, состоящей из нескольких частей, для которых полное знание о системе в целом не предполагает полного знания о состоянии ее частей (волновая функция системы не может быть записана в виде произведения волновых функций ее частей). В сообщениях, в которых упоминаются запутанные состояния, как правило, речь идет об экспериментах, проводящихся в достаточно специфических условиях, - малое число частиц, низкие температуры, специальным образом созданные структуры и т.д. Отсюда у некоторых людей может создаться впечатление, что к повседневной реальности запутанные состояния отношения не имеют. Конечно, это не так - на микроуровне запутанные состояния возникают при взаимодействиях частиц совершенно естественным образом в самых что ни на есть обычных условиях, вот только наблюдать проявления запутанности в обычных условиях довольно трудно. Дело, в частности, в том, что образующиеся запутанные состояния системы из нескольких частиц в нормальных условиях очень быстро разрушаются из-за взаимодействия с окружением. Но присутствие даже столь эфемерных образований, существующих в твердых телах и жидкостях, в принципе можно зафиксировать, пусть и по косвенным признакам.

Подобной цели посвящена недавно опубликованная работа [1], рассказывающая об исследовании комптоновского рассеяния нейтронов и электронов на протонах в мишени из полимера C₈H₁₄O₂ (из этого полимера можно создавать очень тонкие и гибкие пленки). Ранее ученые из Технического университета в Берлине уже наблюдали аномалию при неупругом рассеянии нейтронов на протонах в воде (точнее говоря, в смеси H₂O - D₂O) при комнатной температуре [2], а теперь, совместно с коллегами из других стран, они провели эксперименты на другом материале, дополнив данные по неупругому рассеянию нейтронов данными по неупругом рассеянию электронов.

Для нейтронов с энергией порядка десятка эВ (и электронов с энергией порядка нескольких десятков кэВ) дебройлевская длина волны оказывается существенно меньше характерных межатомных расстояний. При таких условиях происходит неупругое рассеяние нейтронов на отдельных ядрах; переданная частице мишени энергия определяется из законов сохранения энергии и импульса с учетом импульса этой частицы до столковения. Такое нейтронное (или электронное) комптоновское рассеяние используется для исследования распределения частиц мишени (например, протонов) по скоростям. Сечения рассеяния нейтронов и электронов на протонах и более тяжелых ионах хорошо известны, известна доля протонов, а также атомов углерода и кислорода в мишени, следовательно, легко вычислить отношение интенсивность сигнала от протонов к интенсивности суммарного сигнала от других рассеивающих центров (см. рис. 1.). Оказывается, однако, что экспериментально измеренное отношение отличается от ожидаемого в предположении рассеяния на отдельных протонах, причем с увеличением энергии нейтрона (электрона) отличие экспериментального отношения от расчетного становится все более заметным, причем независимо от природы взаимодействия (сильное - в случае нейтронов и электромагнитное - в случае электронов) результат получается один и тот же (рис. 2). Наблюдаемая аномалия не может быть объяснена многокатным рассеянием в образце (ставились эксперименты с образцами различной толщины), зато есть другая вероятная причина.

Рис.2. Экспериментально измеренное отношение интенсивности рассеяния на протонах к интенсивности рассеяния на кислороде и углероде в зависимости от переданного импульса (hq); кружки и квадраты - измерения рассеяния нейтронов, треугольники - электронов.

Характерное время взаимодействия нейтрона (электрона) с протоном обратно пропорционально переданной частице энергии; в описываемых экспериментах оно лежит в субфемтосекундном диапазоне. А, согласно расчетам, характерное время декогерентизации (грубо говоря, время жизни запутанного состояния, см. нашу новость ) для системы запутанных протонов должно лежать как раз в этом временном диапазоне при комнатной температуре. В результате нейтрон (электрон) будет чувствовать уже не отдельный протон, а взаимодействовать с "запутанным рассеивающим центром".

Проделанные эксперименты, возможно, действительно позволяют почувствовать запутывание частиц на аттосекундном временном масштабе, пусть и не напрямую. Но хочется надеятся, что в не столь далеком будущем недавно родившаяся аттофизика позволит исследовать такие короткоживущие запутанные состояния и напрямую.

1. C.A.Chatzidimitrou-Dreismann, M.Vos, C.Kleiner, and T.Abdul-Redah. Phys.Rev.Lett., v.91, 057403 (2003).

2. C.A.Chatzidimitrou-Dreismann, T.Abdul-Redah, R.M.F.Streffer, and J.Mayers. Phys.Rev.Lett., v.79, 2839 (1997).

Е.Онищенко