Учёные впервые напрямую подтвердили две фундаментальные гипотезы фейнмановского интеграла по траекториям

Физико-математический факультет Южно-Китайского педагогического университета и Институт квантовой материи совместно провели исследование, в котором впервые в мире были непосредственно проверены две основные гипотезы интеграла по траекториям Фейнмана. В ходе исследования степень достоверности эксперимента была повышена до 98,5%, что позволило в дискретных пространственно-временных областях восстановить более 141 тысячи допустимых траекторий с полными комплексными амплитудами вероятности, включая длину модуля и фазу каждой траектории, тем самым осуществив прямую экспериментальную проверку ключевых предпосылок теоретической схемы Фейнмана. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Научные достижения» (Science Advances).

Предложенный Фейнманом в 1948 году интеграл по траекториям является одной из наиболее влиятельных теоретических схем в современной квантовой физике. Его суть заключается в двух основных гипотезах: вероятность того, что частица достигнет конечной точки, определяется сложным интерференционным наложением амплитуд вероятности всех возможных траекторий, и амплитуды вероятности всех траекторий имеют одинаковую длину модуля, а фаза однозначно определяется классическим действием. Однако для прямой проверки этих двух гипотез необходимо точно определить амплитуды вероятности и фазы большого числа траекторий, при этом даже незначительные погрешности измерений могут накапливаться в процессе реконструкции траекторий, что долгое время ограничивало подобные экспериментальные исследования. Исследовательская группа, опираясь на предыдущие работы по измерению распространения квазичастиц, повысила степень достоверности эксперимента с 87,6 % до 98,5 %, преодолев технический барьер.

Результаты эксперимента показали, что квантовое распределение вероятностей, полученное путём интерференционного наложения измеренных амплитуд вероятности траектории, в высокой степени совпадает с независимо измеренным распределением конечных состояний фотонов и заметно отличается от классического сложения вероятностей без учёта интерференции, что подтвердило первую гипотезу; в пределах экспериментальной точности длина модуля амплитуды вероятности каждой траектории оставалась постоянной, а связь между фазой и классическим действием соответствовала теоретическим предсказаниям Фейнмана, что подтвердило вторую гипотезу. Степень соответствия между двумя проверками и теоретическими ожиданиями составила 94,9 % и 94,7 % соответственно. Этот результат привлёк внимание международных научно-популярных СМИ, таких как «Новый учёный» и Phys.org, и был признан значимым продвижением в области квантовых измерений.