Фото: MIT
При помощи суперсовременного оборудования физики из Массачусетского технологического института (MIT) подняли планку классического двухщелевого опыта, проведя его буквально на квантовом уровне. В результате им удалось разрешить практически вековой спор Альберта Эйнштейна и Нильса Бора о природе света, показав ошибочность суждений Эйнштейна в данном конкретном случае.
Двухщелевой опыт, впервые проведенный Томасом Юнгом в 1801 году, служит парадоксально простой и невероятно наглядной демонстрацией корпускулярно-волнового дуализма света, который проявляет себя и как волна, и как частица. В ходе эксперимента свет пропускают через барьер с двумя щелями и наблюдают картину на расположенном за ним экране.
В случае с корпускулярной природой света предполагается, что наблюдатель увидит пару световых пятен, однако в реальности видны полосы, характерные для интерференции волн. Было также установлено, что свет поглощается на экране в отдельных точках, а усовершенствованный эксперимент с фотонными детекторами дополнительно показывает, что каждый обнаруженный фотон проходит только через одну щель — то есть ведет себя как частица, а не волна.
В то же время эту двойственность оказалось невозможно наблюдать одновременно: стоит попытаться определить, через какую именно щель прошел свет, как интерференционная картина исчезает.
Почти сто лет назад этот эксперимент стал предметом дружеской полемики между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. В 1927 году Эйнштейн утверждал, что фотонная частица должна проходить только через одну из двух щелей и при этом оказывать на неё небольшое воздействие, подобно тому, как птица, пролетая мимо, шелестит листом. Он предположил, что можно обнаружить такое воздействие, одновременно наблюдая интерференционную картину, тем самым подтвердив корпускулярно-волновую природу света. В ответ на это Бор применил принцип неопределённости квантовой механики и показал, что определение траектории фотона приведёт к исчезновению интерференционной картины.
Сегодняшний эксперимент физиков из MIT реализует идеализированную квантовую версию двухщелевого опыта с единичными атомами и фотонами.
«Эйнштейн и Бор никогда бы не подумали, что это возможно — провести такой эксперимент с отдельными атомами и одиночными фотонами. То, что мы сделали, — это идеализированный эксперимент Геданкена», — рассказал Вольфганг Кеттерле, профессор физики имени Джона Д. Макартура и руководитель команды Массачусетского технологического института.
Подготовив охлажденные до микрокельвиновых температур (немногим выше абсолютного нуля) атомы в различных квантовых состояниях, ученые смогли управлять информацией, которую атомы получали о пути фотонов. Таким образом, исследователи подтвердили предсказания квантовой теории: чем больше информации о пути (то есть о корпускулярной природе) света получали атомы, тем менее заметной была интерференционная картина.
Таким образом, эмпирически получилось подтвердить, то в чём ошибался Эйнштейн: всякий раз, когда атом «встряхивается» проходящим мимо фотоном, интерференция волн уменьшается.
Результаты научной работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. В число соавторов Кеттерле из Массачусетского технологического института входят первый автор Виталий Федосеев, Ханчжэнь Линь, Ю-Кун Лу, Ю Кён Ли и Цзяхао Лю, которые работают на физическом факультете Массачусетского технологического института, в исследовательской лаборатории электроники и в Центре ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарварда.
Источник: habr.com