Обнаружено новое квантовое явление – объединение спина нейтрона с моментом вращения магнитного поля

Обнаружено новое квантовое явление – объединение спина нейтрона с моментом вращения магнитного поля

Давайте представим танцовщицу, которая вращается вокруг оси на кончиках пальцев ног, сама танцовщица при этом находится на карусели, которая тоже вращается. С этой танцовщицей может произойти такая ситуация, что ее собственный момент вращения сложится с моментом вращения карусели. При этом на ее тело придется такая нагрузка, которая может в некоторых случаях привести даже к травме. Ученые, работающие в Венском технологическом университете, установили, что такое же явление может появляться и в квантово-механических системах. Это обнаружилось в ходе эксперимента, где вращающееся магнитное поле пересекал нейтрон, который вращался вокруг своей оси.

Под спином элементарной частицы понимается угловой момент ее орбитального вращения. В нашем случае спин представляет собой угловой момент вращения объекта, который по размеру близок к бесконечно малой точке. Такие вещи в повседневной жизни почти не проявляются, тем не менее, узнать, как это работает, дают законы квантовой механики.

Каким образом должен вести себя нейтрон, который попал во вращающееся магнитное поле, ученые поняли еще в 1988 г. Было предсказано, что спин нейтрона должен объединиться с моментом вращения магнитного поля, но до настоящего времени никто не мог это экспериментально продемонстрировать. Исследователи пишут, что они потратили несколько лет на работу в данной области, и было проведено несколько попыток, окончившихся неудачей, прежде чем эксперимент удался.

Эксперимент состоит в том, что нейтрон, как вращающийся танцор, находящийся на вращающейся карусели, пересекает некоторую область, где создается вращающееся магнитное поле при помощи особой катушки. При этом, спин нейтрона после выхода из магнитного поля такой же, как и до входа. Действующие на нейтрон инерционные эффекты проявляют себя исключительно в области магнитного поля, что выявить можно только с помощью квантовой механики.

Нейтронный луч внутри специальной исследовательской установки расщепляется на 2 независимых луча. Первый луч проходит сквозь область, где присутствует вращающееся магнитное поле, а второй луч каким-либо воздействиям не подвергается. Затем эти лучи опять соединяются в один. Давайте рассмотрим какой-нибудь отдельный нейтрон. Согласно явлениям квантовой механики, он одновременно находится в обоих расщепленных лучах, но инерциальные эффекты в первом луче слегка меняют длину волны волновой составляющей частицы. В итоге создается картина наподобие интерференционной, так как волны после сложения лучей или друг друга гасят, или усиливают.

Для исследователей наиболее сложной задачей стала конструкция катушки, которая может создавать вращающееся магнитное поле. При этом, внутри катушки должно было быть небольшое отверстие, сквозь которое в область созданного ею магнитного поля проникал нейтронный луч. Необходимую геометрию обмоток катушки получили с помощью моделирования на компьютере, а сама система была изготовлена и испытана в Венском технологическом университете на источнике нейтронов. Финальные измерения и эксперименты были проведены в Гренобле во Франции на установке ILL.

Исследователи говорят, что во время экспериментов был воспроизведен чисто квантово-механический эффект, который понять с точки зрения классической физики нельзя, и в данный момент еще не ясно, в каких практических областях все это можно применять. Но эффект действительно существует и найти места, где его можно использовать является лишь делом времени.