Альберт Эйнштейн и Нильс Бор постоянно спорили об истинной природе квантовой механики и придумали мысленный эксперимент, который мог бы разрешить этот вопрос. Теперь этот эксперимент наконец-то был проведён в реальности.
Двухщелевой эксперимент демонстрирует квантовую природу реальности РАССЕЛ КАЙТЛИ/НАУЧНАЯ ФОТОТЕКА
Мысленный эксперимент, лежавший в основе спора между знаменитыми физиками Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором в 1927 году, наконец-то стал реальностью. Его результаты проливают свет на одну из главных загадок квантовой физики: является ли свет волной, частицей или сложной смесью того и другого?
Аргумент Эйнштейна и Бора касается эксперимента с двумя щелями, который был проведён ещё сто лет назад физиком Томасом Юнгом в 1801 году. Юнг использовал этот эксперимент, чтобы доказать, что свет — это волна, в то время как Эйнштейн утверждал, что свет на самом деле является частицей. Между тем, работы Бора по квантовой физике смело предполагали, что свет, в некотором смысле, может быть и тем, и другим. Эйнштейну не понравилась эта спорная идея, и он придумал модифицированную версию эксперимента Юнга, чтобы опровергнуть её.
Теперь Чао-Ян Лу из Китайского университета науки и технологий и его коллеги провели эксперимент, реализующий идею Эйнштейна, используя лучшие инструменты современной экспериментальной физики, чтобы показать, что квантовые объекты столь же своеобразны в своей корпускулярно-волновой природе, как и предполагали физики 1920-х годов. «Видеть квантовую механику „в действии“ на таком фундаментальном уровне просто захватывает дух», — говорит Лу.
В классическом эксперименте с двумя щелями исследователи направляют свет на пару узких, параллельных, горизонтально ориентированных щелей, расположенных перед экраном. Если бы свет был частицей, на экране должно было бы наблюдаться пятно света за каждой щелью, но Янг и бесчисленное множество последующих исследователей вместо этого наблюдали «интерференционную картину» из чередующихся темных и светлых полос. Это указывало на то, что свет больше похож на волну, которая распространяется через щели, а экран улавливает ее волны, сталкивающиеся друг с другом. Примечательно, что интерференционная картина сохраняется даже при уменьшении интенсивности света до одной частицы света, или фотона. Означает ли это, что идеально похожий на частицу фотон каким-то образом интерферирует сам с собой, как если бы он тоже был волной?
Бор отстаивал идею «комплементарности», согласно которой невозможно увидеть корпускулярность фотона, когда он демонстрирует волнообразное поведение, и наоборот. В своих спорах о том, насколько это верно, Эйнштейн представил себе, что перед обычной парой щелей помещается дополнительная щель, снабженная пружинами, которая могла бы отскакивать при попадании в неё фотона. Основываясь на движении пружин, физики могли бы затем определить, прошёл ли фотон через верхнюю или нижнюю щель. По Эйнштейну, это означало бы возможность одновременно описывать корпускулярное поведение фотона, проходящего через определённую щель подобно крошечному шарику, и его волновое поведение, демонстрируемое интерференционной картиной, что противоречило бы принципу дополнительности.
Лу говорит, что его команда хотела построить это устройство на «предельном квантовом пределе», поэтому они выстрелили одним фотоном не в щель, а в атом, который мог отскочить таким же образом. Кроме того, попадание в атом переводило фотон в квантовое состояние, эквивалентное смеси движения от атома влево и вправо, что также создавало интерференционную картину при попадании на детектор. Чтобы использовать атом таким образом, исследователи использовали лазеры и электромагнитные силы, чтобы сделать его невероятно холодным, что позволило контролировать его квантовые свойства с чрезвычайной точностью. Это было критически важно для проверки возражения Бора Эйнштейну: он утверждал, что принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что если изменение импульса щели из-за отдачи известно очень хорошо, то ее положение станет очень размытым, и наоборот, может разрушить интерференционную картину.
«Контраргумент Бора был блестящим. Но мысленный эксперимент оставался теоретическим почти столетие», — говорит Лу.
Настраивая лазеры, Лу и его коллеги смогли контролировать неопределённость импульса атома-щели. Тем самым они обнаружили, что утверждение Бора было верным, и им удалось стереть интерференционную картину, изменив размытость его импульса. Примечательно, что исследователи также использовали эту возможность настройки для доступа к более промежуточному режиму, где они могли измерять некоторую информацию об отдаче и видеть размытую версию интерференционной картины. По словам Лу, здесь фотон фактически проявлял одновременно как волновые, так и корпускулярные свойства.
«Настоящий интерес представляет [это] промежуточное состояние», — говорит Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института. Ранее в этом году он и его коллеги провели вариацию эксперимента Эйнштейна. Они использовали ультрахолодные атомы, управляемые лазерами, чтобы реализовать версию эксперимента Эйнштейна, в которой движущейся является пара щелей. В то время как Лу и его коллеги использовали один атом для рассеивания света в двух направлениях, здесь два атома рассеивали свет в одном и том же направлении, и эффект фотона, попадающего в каждый атом, можно было обнаружить по изменениям в их квантовых состояниях. Кеттерле говорит, что это концептуально иной способ исследования корпускулярно-волнового дуализма и более четко фиксирует то, что сделал фотон, потому что эта информация о «каком направлении» сохраняется в одном из двух отдельных атомов, но это небольшое отклонение от первоначальной идеи Эйнштейна.
Он и его коллеги также экспериментировали с внезапным выключением лазеров (что эквивалентно снятию пружин с подвижных щелей) и последующим обстрелом атомов фотонами. Вывод Бора оставался в силе, поскольку обмен импульсом между атомами и фотоном, а также принцип неопределённости всё ещё могли «размыть» полосы интерференционной картины. Эта версия идеи Эйнштейна без пружин ранее не проверялась, говорит Кеттерле. «В атомной физике, с холодными атомами и лазерами, у нас есть реальные возможности продемонстрировать квантовую механику с недоступной ранее ясностью».
Филипп Тройтляйн из Базельского университета в Швейцарии утверждает, что эти два эксперимента наглядно демонстрируют некоторые фундаментальные принципы квантовой механики. «С нашим современным пониманием мы знаем ответ на вопрос о том, как работает квантовая механика в микроскопическом масштабе. Но всегда важно увидеть это вживую, так сказать, если кто-то действительно проведёт этот эксперимент». Эксперимент Лу и его команды концептуально соответствует рисункам, сохранившимся в исторических записях дискуссий Бора и Эйнштейна, и ведёт себя именно так, как предсказывает квантовая механика, говорит он.
Лу предстоит ещё многое исследовать, например, ещё более детально классифицировать квантовое состояние щели, а также увеличить её массу. Но эксперимент также имеет огромную образовательную ценность. «Прежде всего, я надеюсь, что он передаст всю красоту квантовой механики», — говорит он. «Если ещё несколько молодых людей увидят, как интерференционная картина появляется и исчезает в реальном времени, и скажут: «Вот это да, природа действительно так устроена», — значит, эксперимент уже удался».
Physical Review Letters DOI: 10.1103/93zb-lws3
Источник: www.newscientist.com
