Лазер сквозь Землю остался мечтой. Помешала квантовая физика и запрет Паули
Физики показали, что предложенный «нейтринный лазер», от которого ждали пучка частиц, способного проходить сквозь Землю, не сможет работать по задуманному принципу. Две теоретические работы, опубликованные 2 сентября в Physical Review Letters, выявили сразу несколько препятствий, связанных с законами квантовой механики. Более точное оборудование и сильное охлаждение не позволят обойти найденный фундаментальный запрет.
Исследование провели Вольфганг Кеттерле, Юй-Кунь Лу и Ханьчжэнь Лин. Авторы проверили схему, в которой облако радиоактивных атомов должно коллективно испускать нейтрино, резко усиливая поток. Расчёты показали, что отдача при распаде слишком быстро разрушает необходимую квантовую согласованность. Даже если мысленно убрать отдачу, усилению помешают свойства самих частиц.
Идею нейтринного лазера предложили в 2025 году физики Джозеф Формаджио и Бен Джонс. Компактный источник мог бы упростить изучение нейтрино, которые крайне слабо взаимодействуют с веществом и потому с трудом поддаются регистрации. Способность проходить через огромные толщи материи привлекала внимание и к возможной связи сквозь Землю, хотя до подобного применения было далеко даже в исходном проекте.
В основе замысла лежало сверхизлучение. При определённых условиях атомы испускают свет согласованно, а квантовые эффекты усиливают общий поток по сравнению с излучением независимых атомов. Формаджио и Джонс предположили, что похожий механизм сработает с нейтрино. Для этого требовалось охладить около миллиона атомов рубидия-83 почти до абсолютного нуля и получить конденсат Бозе — Эйнштейна, в котором множество атомов занимает общее квантовое состояние.
Рубидий-83 превращается в криптон-83 при захвате электрона ядром, испуская нейтрино. Исходные расчёты обещали сократить характерное время распада с примерно 86 дней до нескольких минут. Название «лазер» описывало ожидаемый направленный поток частиц, но механизм отличался от обычного лазера. Авторы рассчитывали на коллективное усиление спонтанного распада.
Повторный анализ выявил проблему с отдачей атомов. При испускании нейтрино образовавшийся атом криптона получает толчок в противоположную сторону и движется со скоростью в несколько тысяч метров в секунду. Облако конденсата такой атом пересекает менее чем за микросекунду. Квантовая согласованность, необходимая для совместного излучения, разрушается раньше, чем успевает возникнуть усиленный выброс.
Дополнительное препятствие создаёт чрезвычайно короткая длина волны нейтрино. Для рассмотренных энергий она составляет порядка триллионной доли метра. Геометрия облака допускает согласованное излучение лишь в настолько узкий конус, что в нужный режим попадает слишком малая доля частиц. Даже миллион атомов не обеспечивает условий для ожидаемого усиления.
В другой работе команда проверила идеальный случай без отдачи и прочих причин потери согласованности. Схема всё равно не заработала. Нейтрино и образующиеся атомы криптона-83 относятся к фермионам, для которых действует принцип Паули. Два одинаковых фермиона не могут занимать одно квантовое состояние. Корректный учёт запрета разрушает цепочку коллективного усиления, на которую рассчитывали авторы проекта.
Разницу можно выразить через число атомов. При сверхизлучении света пиковая скорость испускания способна расти пропорционально квадрату числа излучателей. В рассмотренной нейтринной системе максимальная скорость растёт лишь пропорционально самому числу атомов, как у независимых источников. Добавление радиоактивного вещества увеличивает поток, но обещанного коллективного скачка не даёт.
Вывод касается конкретного способа получить сверхизлучающий источник нейтрино из радиоактивного конденсата. Распространять запрет на любые нейтринные пучки или все мыслимые способы связи с помощью нейтрино было бы неверно. Новые работы закрывают предложенную схему на уровне её физических предпосылок. Формаджио назвал проверку концепции конструктивной и признал, что научное сообщество должно тщательно испытывать новые идеи, хотя по-прежнему ожидает будущих экспериментов.