Квантовый эксперимент наконец уладил вековой спор между Эйнштейном и Бором

Мысленный эксперимент, который был в центре спора между знаменитыми физиками Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором в 1927 году, наконец-то стал реальностью. Результаты исследования проливают свет на одну из главных загадок квантовой физики: является ли свет на самом деле волной, частицей или сложной смесью этих двух явлений?

Аргумент Эйнштейна и Бора касается двухщелевой эксперименткоторый датируется еще сто лет назад физиком Томасом Янгом в 1801 году. Янг использовал этот тест, чтобы доказать, что свет — это волна, в то время как Эйнштейн утверждал, что свет на самом деле является частицей. Между тем, работы Бора в области квантовой физики смело предположили, что в некотором смысле это может быть и то, и другое. Эйнштейну не понравилась эта противоречивая идея, и он придумал модифицированную версию эксперимента Янга, чтобы противостоять ей.

Сейчас, Чао-Ян Лу из Университета науки и технологий Китая и его коллеги провели эксперимент, реализующий идею Эйнштейна, используя лучшие инструменты современной экспериментальной физики, чтобы показать, что квантовые объекты столь же необычны в своей двойной волновой и корпускулярной природе, как и подозревали физики 1920-х годов. «Наблюдение квантовой механики «в действии» на этом 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, экран должен был бы показывать пятно света за каждой щелью, но Янг и множество последовавших за ним исследователей вместо этого увидели «интерференционную картину» из чередующихся темных и светлых полос. Это указывало на то, что свет больше похож на волну, которая проходит через щели, а экран улавливает его. рябь сталкивается друг с другом. Примечательно, что интерференционная картина сохраняется, даже когда интенсивность света снижается до одной частицы света или фотона. Означает ли это, что фотон, совершенно похожий на частицу, каким-то образом интерферирует сам с собой, как если бы он тоже был волной?

Бор приводил доводы в пользу понятия «дополнительности», когда невозможно увидеть частицность фотона, когда он демонстрирует волнообразное поведение, и наоборот. В спорах о том, действительно ли это так, Эйнштейн представил, что перед обычной парой, которая будет оснащена пружинами, будет расположена дополнительная щель, чтобы она могла отскочить, когда в нее войдет фотон. Основываясь на движении пружин, физики смогли определить, прошел ли фотон через верхнюю или нижнюю щель. По мнению Эйнштейна, это означало бы возможность одновременно описать поведение частицы фотона (проходящей через определенную щель, как крошечный шарик) и его волновое поведение, о чем свидетельствует интерференционная картина, что противоречило бы дополнительности.

Лу говорит, что его команда хотела создать это устройство на «предельном квантовом пределе», поэтому они создали одиночный фотон не в щель, а в атом, который мог бы отскочить таким же образом. Кроме того, попадание в атом переводит фотон в квантовое состояние, эквивалентное сочетанию движения от атома влево и вправо, что также создает интерференционную картину при попадании в детектор. Чтобы использовать атом таким образом, исследователи использовали лазеры и электромагнитные силы, сделавшие его невероятно холодным, что позволило чрезвычайно точно контролировать его квантовые свойства. Это имело решающее значение для проверки возражения Бора Эйнштейну: он утверждал, что Принцип неопределенности Гейзенбергакоторый говорит, что если бы изменение импульса щели от отдачи было очень хорошо известно, то ее положение стало бы очень нечетким и наоборот, могло бы разрушить интерференционную картину.

“Контраргумент Бора был блестящим. Но мысленный эксперимент оставался теоретическим почти столетие”, – говорит Лу.

Настраивая лазеры, Лу и его коллеги смогли контролировать неопределенность импульса атома в виде щели. При этом они обнаружили, что утверждение Бора было правильным, и они могли стереть интерференционную картину, изменив нечеткость ее импульса. Поразительно, но исследователи также использовали эту возможность настройки для доступа к более промежуточному режиму, в котором они могли измерить некоторую информацию об отдаче, а также увидеть размытую версию интерференционной картины. Здесь фотон эффективно проявлял одновременно свойства волны и частицы, говорит Лу.

«Настоящий интерес заключается в [this] между ними», — говорит Вольфганг Кеттерле в Массачусетском технологическом институте. Ранее в этом годуон и его коллеги провели вариант эксперимента Эйнштейна. Они использовали ультрахолодные атомы управляется лазерами для реализации версии эксперимента Эйнштейна, в которой пара щелей может двигаться. В то время как Лу и его коллеги использовали один атом для рассеяния света в двух направлениях, здесь два атома рассеивали свет в одном направлении, и эффект попадания фотона в каждый атом можно было обнаружить по изменениям их квантовых состояний. Кеттерле говорит, что это концептуально другой способ исследования корпускулярно-волнового дуализма, который более четко описывает действия фотона, поскольку информация о том, «в 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 затем стрельбой фотонами по атомам. Вывод Бора все еще остается в силе: обмен импульсом между атомами и фотоном, а также принцип неопределенности все еще могут «размыть» полосы интерференционной картины. По словам Кеттерле, эта беспружинная версия идеи Эйнштейна ранее не проверялась. «В атомной физике с холодными атомами и лазерами у нас есть реальные возможности продемонстрировать квантовую механику с ясностью, которая была невозможна раньше».

Филипп Тройтлейн из Базельского университета в Швейцарии говорят, что эти два эксперимента убедительно демонстрируют некоторые основы квантовой механики. “С нашим современным пониманием мы знаем ответ на то, как квантовая механика работает в микроскопическом масштабе. Но всегда имеет значение, если вы видите это по-настоящему, так сказать, если кто-то действительно проводит этот эксперимент”. По его словам, эксперимент Лу и его команды концептуально соответствует рисункам, которые остались в исторических записях дебатов между Бором и Эйнштейном, и ведет себя точно так, как предсказывает квантовая механика.

Лу предстоит еще многое изучить, например, еще более детально классифицировать квантовое состояние щели, а также увеличить ее массу. Но эксперимент также имеет огромную образовательную ценность. «Прежде всего, я надеюсь, что это передает чистую красоту квантовой механики», — говорит он. «Если еще несколько молодых людей наблюдают за появлением или исчезновением интерференционной картины в реальном времени и говорят: «Ух ты, природа действительно так устроена», то эксперимент уже удался».