В этом году новая теория «темных фотонов» попыталась по-новому объяснить эксперимент, проводившийся столетиями, стремясь изменить наше понимание природы света.
Темные фотоны предлагают новое объяснение эксперименту с двойной щелью. Рассел Кайтли/Научная фотобиблиотека
В этом году под угрозой оказался один из ключевых принципов квантовой теории, когда группа исследователей выдвинула радикально новую интерпретацию эксперимента о природе света.
В центре новой работы находился эксперимент с двойной щелью, впервые проведенный в 1801 году физиком Томасом Янгом, который использовал его для подтверждения того, что свет ведет себя как волна. В классической физике частица никогда не может быть одновременно и волной, и наоборот, но в квантовой области эти два понятия не являются взаимоисключающими. Фактически, все квантовые объекты демонстрируют так называемый волново-частичный дуализм.
На протяжении десятилетий свет казался ярким примером этого: эксперименты показывали, что иногда он ведет себя как частица, называемая фотоном, а иногда как волна, производящая эффекты, подобные тем, которые наблюдал Юнг. Но в начале этого года Селсо Виллаш-Боас из Федерального университета Сан-Карлоса в Бразилии и его коллеги предложили интерпретацию эксперимента с двойной щелью, которая включает только фотоны, фактически устраняя необходимость в волновой части дуальности света.
После публикации статьи в журнале New Scientist, к команде, проводившей исследование, обратились многие коллеги, заинтересованные в работе, которая с тех пор получила широкое распространение, говорит Виллас-Боас. Одно из видео на YouTube об этом исследовании посмотрели более 700 000 раз. «Меня приглашали выступить с докладами об этом в Японии, Испании, здесь, в Бразилии, во многих других местах», — говорит он.
В классическом эксперименте с двойной щелью между экраном и источником света помещается непрозрачная преграда с двумя узкими, расположенными рядом щелями. Свет проходит через щели и падает на экран, на котором впоследствии образуется узор из светлых и темных вертикальных полос, известный как классическая интерференция. Обычно это объясняется тем, что световые волны, проходящие через две щели, сталкиваются друг с другом на экране.
Исследователи отказались от этой модели и обратились к так называемым темным состояниям фотонов — особым квантовым состояниям, которые не освещают экран, поскольку не могут взаимодействовать ни с какими другими частицами. Поскольку темные полосы объяснялись именно этими состояниями, отпала необходимость в объяснении их роли в возникновении световых волн.
Это заметное отступление от наиболее распространенного взгляда на свет в квантовой физике. «Многие профессора говорили мне: „Вы затрагиваете одну из самых фундаментальных вещей в моей жизни, я с самого начала преподавал интерференцию строго по учебнику, а теперь вы утверждаете, что все, чему я учил, неверно“», — говорит Виллаш-Боас. Он говорит, что некоторые из его коллег приняли новую точку зрения. Другие же, если и не были откровенно скептически настроены, то, по крайней мере, с осторожным интересом, что подтвердило сообщение журнала New Scientist, когда исследование впервые стало достоянием общественности.
С тех пор Виллаш-Боас неустанно занимается изучением нескольких новых аспектов темных состояний фотонов. Например, его математический анализ, проведенный совместно с коллегами, показал, что тепловое излучение, такое как свет от Солнца или звезд, может иметь темные состояния, несущие значительную часть его энергии, но поскольку они не взаимодействуют с другими объектами, эта энергия в некотором смысле скрыта. Это можно проверить в экспериментах, в которых атомы помещаются в полости, где их взаимодействие со светом можно точно отслеживать, говорит Виллаш-Боас.
Он говорит, что переосмысление интерференции его командой также позволяет понять, казалось бы, невозможные явления, такие как интерференция волн даже тогда, когда они не перекрываются напрямую, или интерференция между механическими и электромагнитными волнами. В любом случае, отказ от волновой модели в пользу состояний ярких и темных фотонов открывает новые возможности. Виллас-Боас даже может представить себе использование некоторых из этих открытий для создания новых типов светоуправляемых переключателей или устройств, прозрачных только для определенных типов света.
По его мнению, вся эта работа связана с фундаментальной истиной квантовой физики: невозможно обсуждать квантовые объекты, не описывая, как они взаимодействуют с детекторами и другими измерительными приборами, включая их темноту. «На мой взгляд, в этом нет ничего нового. Об этом нам уже говорит квантовая механика», — говорит Виллаш-Боас.
Источник: www.newscientist.com
