Представьте себе танцовщицу, вращающуюся на кончиках пальцев ног вокруг своей оси, при этом, сама танцовщица находится на вращающейся карусели. При некотором невезении для этой танцовщицы в определенный момент времени ее собственный момент вращения может сложиться с моментом вращения карусели, и на ее тело будет воздействовать нагрузка, которая может привести к травме. Ученые из Венского технологического университета (TU Wien) обнаружили, что подобное явление может возникать и в квантово-механических системах, а обнаружено это было в ходе эксперимента, в котором вращающийся вокруг своей оси нейтрон пересекал вращающееся магнитное поле.
Напомним нашим читателям, что под понятием спина элементарной частицы подразумевается угловой момент ее орбитального вращения. “В данном случае спин – это угловой момент вращения объекта, близкого по размеру к бесконечно малой точке” – пишут исследователи, – “Подобные вещи практически не проявляются в нашей повседневной жизни, но законы квантовой механики дают нам возможность понять, как это все работает в некоторых случаях”.
Еще в 1988 году ученые предсказали, как должен себя вести нейтрон, попав внутрь вращающейся среды (магнитного поля в частности). В этом случае должно произойти объединение спина нейтрона и момента вращения магнитного поля, но до последнего времени никому не удавалось продемонстрировать это экспериментально. “Нам же для этого потребовалось несколько лет работы и несколько не очень удачных попыток” – пишут исследователи.
В экспериментах нейтрон, подобно вращающемуся танцору на вращающейся карусели, пересекает область, в которой при помощи специальной катушки создается вращающееся магнитное поле. При этом, спин нейтрона до входа в магнитное поле и после выхода из него остается неизменным. Инерционные эффекты, воздействующие на нейтрон, проявляются только в области магнитного поля и это можно обнаружить только при помощи квантовой механики.
В недрах исследовательской установки нейтронный луч расщепляется на два независимых луча. Один из этих лучей проходит через область вращающегося магнитного поля, а второй не подвергается никаким внешним воздействиям. После этого оба луча вновь объединяются в один луч. Если рассматривать какой-нибудь отдельный нейтрон, то он, согласно причудам квантовой механики, находится одновременно в двух расщепленных лучах, и в первом луче инерциальные эффекты немного изменяют длину волны волновой составляющей этой квантовой частицы. В результате этого после сложения лучей волны или усиливают, или гасят друг друга, создавая картину наподобие интерференционной.
Самой сложной задачей, с которой довелось столкнуться исследователям, стала конструкция катушки, способной вырабатывать вращающееся магнитное поле. При этом, в самой катушке должно было быть маленькое окошко, через которое нейтронный луч проникал в область создаваемого ею магнитного поля. Подходящая геометрия обмоток этой катушки была получена при помощи компьютерного моделирования, а система была изготовлена и первоначально испытана на источнике нейтронов в Венском технологическом университете. Окончательные же эксперименты и измерения проводились на установке ILL, Гренобль, Франция.
“Во время наших экспериментов мы воспроизвели чисто квантово-механический эффект, который даже не может быть понят с точки зрения классической физики” – пишут исследователи, – “Пока мы еще не знаем и даже не можем предположить, в каких практических областях это все может быть использовано. Но обнаруженный нами эффект реально существует и поиски области применения для него являются теперь только делом времени”.