Впервые проверена на практике знаменитая идея Фейнмана о бесконечных путях частиц

Китайская исследовательская группа под руководством профессора Ши-Ляна Чжу из Южно-Китайского университета в Гуанчжоу впервые провела прямое лабораторное подтверждение мысленного эксперимента Ричарда Фейнмана, сформулированного еще в 1948 году. Ученые работали с одиночными фотонами и показали, что две ключевые гипотезы Фейнмана о поведении квантовых частиц — равенство вероятностей всех возможных путей и их когерентное сложение, выполняются в реальности. Итоги этой работы опубликованы в журнале Science Advances.

На протяжении почти восьми десятилетий физики использовали красивую, но чисто умозрительную конструкцию, предложенную Ричардом Фейнманом. Согласно ей, когда квантовая частица, например электрон или фотон, перемещается из точки А в точку Б, она не движется по какой-то одной траектории, как это делал бы обычный мячик или пуля. Вместо этого частица как бы «пробует» сразу все мыслимые маршруты, даже те, которые с точки зрения классической физики кажутся абсурдными.

Каждый из таких маршрутов вносит свой маленький вклад в общий результат, и конечная вероятность попадания частицы в нужную точку получается не из какого-то одного пути, а из сложения волн, связанных со всеми этими траекториями. При этом Фейнман постулировал, что все пути имеют одинаковый «вес» — то есть ни один из них не является изначально более вероятным, чем другой. Различаются они только фазой, которая зависит от того, как долго частица шла бы по классическому закону. Эти два утверждения стали основой для огромного числа теоретических расчетов, но проверить их напрямую никто не решался, потому что эксперимент казался технически невозможным.

Китайским физикам удалось обойти это ограничение. Они выбрали в качестве рабочего объекта фотоны — частицы света. Главная сложность заключалась в том, что нельзя просто взять и проследить за одним фотоном: любая попытка «увидеть» его путь неизбежно разрушает его квантовое состояние. Поэтому команда пошла обходным путем. Вместо траекторий они измеряли амплитуду вероятности, специальную величину, которая кодирует одновременно и шанс попадания фотона в ту или иную точку, и информацию о времени его прихода. Эта амплитуда содержит как числовую часть, так и фазовый сдвиг, что позволяет потом восстановить вклад каждого пути.

Для эксперимента была собрана сложная оптическая схема из зеркал, линз и специальных кристаллов. Фотоны проходили через эту систему, а ученые фиксировали малейшие изменения их поляризации, частоты и времени задержки. По этим данным они реконструировали амплитуды для очень большого числа маршрутов — более 1 миллиона 419 тысяч. По сути, это означало, что каждый фотон «рассматривался» как прошедший через огромное количество воображаемых путей, и для каждого из них вычислялась своя амплитуда.

Но здесь возникает серьезная проблема: когда путей так много, любая, даже крошечная неточность в измерениях может нарастать как снежный ком. Если бы погрешность была хоть чуть выше допустимой, итоговая сумма превратилась бы в бессмысленный шум, и сравнить ее с предсказаниями Фейнмана стало бы невозможно.

Чтобы избежать этого, исследователи пересмотрели буквально все этапы своей методики. Они улучшили калибровку приборов, снизили потери света, повысили стабильность лазерного источника и разработали более точные алгоритмы обработки данных. В результате им удалось достичь необычно высокой точности совмещения информации, так называемой высокой верности пропагатора, что позволило уверенно сопоставить теорию и опыт.

Когда все данные были собраны и обработаны, картина получилась кристально ясной. Во-первых, итоговая вероятность действительно возникла как результат когерентного сложения вкладов от всех возможных траекторий, а не от какой-то одной «главной» линии. Во-вторых, все эти пути действительно имели одинаковые по модулю амплитуды, то есть ни один маршрут не был «предпочтительнее» другого.

А фаза каждой траектории в точности совпадала с той, что следует из классического действия, деленного на постоянную Планка, как и предсказывал Фейнман. Это значит, что знаменитая мысленная конструкция работает не только на бумаге, но и в реальной физической установке.

Особенно важно, что данное исследование не просто подтверждает давнюю теорию. Оно демонстрирует, что современная техника квантовых измерений достигла уровня, позволяющего проверять самые фундаментальные постулаты с невиданной ранее точностью. Это открывает двери для новых экспериментов, где аналогичный подход можно применить к другим системам. Например, ученые уже задумываются о том, чтобы провести подобные тесты не в пустом пространстве, а внутри прозрачных материалов или вблизи поверхностей, где фотоны взаимодействуют с веществом. Тогда можно будет увидеть, как меняется картина сложения путей под влиянием внешней среды, и, возможно, обнаружить эффекты, которые пока не предсказаны теорией.

В итоге китайская команда впервые доказала на практике, что фейнмановская идея о бесконечном множестве равноправных траекторий не просто красивая математическая абстракция, а точное описание реального поведения света. Измерения почти полутора миллионов маршрутов подтвердили оба постулата: итоговая вероятность получается сложением всех путей, и все они имеют одинаковую силу. Работа закрепляет фундамент квантовой физики и дает исследователям новый инструмент для изучения того, как квантовые объекты движутся в самых разных условиях, от вакуума до сложных сред.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях