Вчені виконали надсучасну версію одного з найвідоміших експериментів у квантовій фізиці – двощілинний експеримент Юнга, який вперше провели понад двісті років тому. Класичний експеримент продемонстрував, що фотони можуть поводитися і як частинки, і як хвилі. Нова версія експерименту максимально зменшила масштаб до взаємодій на рівні окремих квантових частинок.
Щоб дізнатись останні новини, слідкуйте за нашим каналом Google News онлайн або через застосунок.
Результати виявилися очікуваними: навіть у цьому «ідеалізованому» варіанті фотони показали ту саму поведінку, що й у класичному експерименті. Проте деталі процесу можуть пролити нове світло на природу квантової механіки.
Класичний експеримент з подвійною щілиною полягав у тому, що фотони випромінювалися на екран з двома щілинами, а за ним розміщували детектор. Якби світло було лише частинками, на екрані з’явилися б дві яскраві смуги. У разі хвильової природи виникав би складний інтерференційний малюнок через взаємодію хвиль, що виникають після проходження щілин.
Досліди довели: фотони можуть поводитися як хвилі або як частинки залежно від «спостереження». Коли фотони ізольовані від будь-якої взаємодії, вони зберігають хвильову поведінку навіть тоді, коли випромінюються по одному. Кожен фотон, наче хвиля, проходить крізь обидві щілини одночасно, утворюючи інтерференційний малюнок.
У квантовій механіці «спостереження» означає будь-яку взаємодію, яка змушує суперпозицію станів зруйнуватися до конкретного положення частинки. Якщо така взаємодія відбувається, фотон втрачає хвильову поведінку, і на екрані з’являються дві смуги. З цього випливає парадоксальна, але ключова істина: єдиний спосіб отримати інформацію про фотон – взаємодіяти з ним, а будь-яка взаємодія неминуче руйнує його хвильовий стан.
Ейнштейн, попри свій внесок у розвиток фізики, завжди скептично ставився до квантової теорії. Він навіть висунув ідею, яка, на його думку, могла б спростувати принцип неможливості спостереження фотона у хвильовій формі. Ейнштейн припустив, що можна виявити інформацію про траєкторію фотона, фіксуючи «шелест» атомів біля щілин. Якби це виявилося можливим, фотон мав би рухатися через одну конкретну щілину, але при цьому створювати інтерференційний малюнок. Проте ця ідея не витримала перевірки. Нове дослідження стало черговим доказом цього.
У сучасному експерименті використовували «щілини» розміром з один атом, що само по собі було надзвичайно складно реалізувати. Джерело світла робили настільки слабким, щоб крізь ці мікроскопічні отвори проходили поодинокі фотони. Як і прогнозував Ейнштейн, фотони дійсно викликали помітні збурення в атомах на краю щілини. Однак, всупереч його очікуванням, у випадках такого «шелестіння» хвильовий інтерференційний малюнок слабшав – саме так і передбачала квантова механіка.
Дослідники називають це справжнім «експериментом Геданкена» – практичним втіленням мисленого експерименту. Вони довели, що навіть найменший можливий вплив на фотон призводить до ефекту спостерігача, який не можна ігнорувати. Це ще раз показує, наскільки далеко готові зайти фізики, щоб перевірити межі власних теорій, і водночас підтверджує: у питанні квантової природи світла Ейнштейн помилявся.
Читайте також:
- 120-річна загадка термодинаміки нарешті вирішена: ідеї Ейнштейна переосмислено
- SpaceX запустила на МКС атомні годинники для перевірки теорії Ейнштейна