Квантовое «суперповедение» может генерировать энергию «из воздуха»
Согласно новому исследованию, можно объединить несколько квантовых состояний с почти нулевыми энергетическими уровнями, чтобы получить состояние, содержащее области в десятки раз более энергичные. Другими словами, можно генерировать энергию из ничего. Это произойдет благодаря «квантовой суперосцилляции» — парадоксального явления, при котором определенная область волны колеблется гораздо быстрее, чем это технически возможно.
В квантовой механике частицы могут вести себя и как волны, и как частицы (Корпускулярно-волновой дуализм). Эти волны можно разделить на несколько других синусоидальных волн, каждая из которых колеблется с определенной частотой. В 1990-х годах ученые обнаружили, что в редких случаях сумма этих составляющих волн может привести к появлению областей, которые колеблются гораздо быстрее, чем самая быстрая часть исходной, неделимой волны. Это приводит к появлению явления, известного как суперосцилляция.
Более точно, суперосцилляция описывает явление, при котором ограниченный по частоте сигнал в целом может содержать сегменты, которые могут колебаться намного быстрее, чем его наивысшая компонента Фурье (функция, определяющая периодические или синусоидальные сигналы). Таким образом, суперосцилляция является противоречивым явлением, поскольку она создает иллюзию того, что компоненты волны существуют вне своего функционального спектра.
Это странное явление может иметь неожиданные последствия и привести к появлению других «суперповедений», утверждает команда из Университета Чепмена в Калифорнии. Если перенести эту характеристику на энергию частиц, то объединенные квантовые состояния могут генерировать гораздо больше энергии, чем предполагают их компоненты. Другими словами, этот процесс позволит создавать квантовые состояния, которые технически должны иметь очень мало энергии, но на самом деле содержат гораздо больше, когда объединяются.
Больше энергии, чем технически возможно…
В рамках своего нового исследования американские исследователи математически доказали, что сочетание нескольких волн, энергия которых близка к нулю, может неожиданно породить волновой сегмент в несколько десятков раз более энергичный. Кроме того, такое «суперэнергетическое» поведение подразумевает, что состояние волн осциллирует во времени с заданной скоростью.
С другой стороны, «это демонстрирует возможность имитации высокоэнергетического состояния с помощью когерентных суперпозиций состояний с околонулевой энергией для сколь угодно большой пространственной области«, — пишут они в своей работе, опубликованной в журнале Physical Review A. Это означает, что можно создавать энергию из ничего без пространственных ограничений.
Если применить это свойство, например, к инфракрасному свету, который имеет относительно низкую частоту, то можно было бы найти область в его полосе, где частота выше. Этот частотный участок мог бы быть синим, а не красным.
На практике это явление может быть применено, например, в технологиях оптической визуализации с высоким разрешением. Оно также может быть применено к методам подсчета отдельных фотонов, что будет интересно для неинвазивного биологического анализа, не требующего флуоресцентных маркеров.
Однако экспериментальная проверка этого явления наталкивается на серьезную трудность, которая заключается в том, что оно возникает очень редко и неожиданно. Предыдущие эксперименты, например, выявили суперосцилляторное поведение одного квантового объекта (фотона). Однако для демонстрации сверхэнергетического поведения частиц потребуется как минимум несколько циклов экспериментов.
Тем не менее, исследователи из Университета Чепмена планируют в ближайшем будущем сотрудничать с физиками-экспериментаторами, чтобы подтвердить свою гипотезу. Кроме того, предстоит изучить множество других суперповедений, например, способ, которым несколько волн, распространяющихся вперед, могут быть объединены в одну волну, которая в определенных областях распространяется назад.