Фізики MIT провели найточніший варіант експерименту з подвійною щілиною, підтвердивши принципи квантової механіки і спростувавши ідею Ейнштейна про одночасну хвильову і корпускулярну природу світла.
Схема експерименту MIT: Два окремі атоми, що плавають у вакуумній камері, освітлюються лазерним променем і виконують роль двох щілин. Інтерференція розсіяного світла реєструється високочутливою камерою, зображеною у вигляді екрану. Некогерентне світло з’являється як фон і означає, що фотон діяв як частинка, що проходить лише через одну щілину. Зображення: Надано дослідниками
Експеримент століття: ідеалізована версія з атомною точністю
Команда науковців з Массачусетського технологічного інституту (MIT), очолювана Вольфгангом Кеттерле, вперше реалізувала “ідеалізовану” форму подвійного квантового експерименту з точністю до окремих фотонів і атомів. Використовуючи замість звичайних щілин поодинокі атоми, команда досягла того, що раніше було лише теоретично можливим. “Що ми зробили — це ідеалізований мысленний експеримент”, — сказав Кеттерле.
Замість класичних щілин в екрані, вчені застосували два окремі атоми, які за допомогою лазерного променя “підвішувалися” у вакуумі. Коли фотони проходили між ними, камера фіксувала інтерференційну картину, що вказувала на хвильову поведінку світла. Але коли намагалися визначити, через який атом пройшов фотон, інтерференція зникала — залишалася частинкова поведінка. Це підтвердило, що неможливо спостерігати хвильову і корпускулярну природу фотона одночасно.
Суперечка Ейнштейна і Бора: вирішена експериментально
У 1927 році Альберт Ейнштейн стверджував, що фотон, пролітаючи крізь щілину, має створювати механічний ефект — ніби птах, що торкається листа під час польоту. Це, на його думку, дозволило б зафіксувати шлях фотона, не знищуючи інтерференцію. Нільс Бор заперечив: сам факт вимірювання шляху руйнує хвильову поведінку. Тепер, через століття, MIT підтвердив точність квантового опису Бора.
“Ми показали, що щоразу, коли атом збурюється фотоном, інтерференція слабшає”, — зазначають автори. В експерименті зміна квантового стану атома призводила до втрати інформації про інтерференційну структуру — кореляція між фотоном і атомом є вирішальною.
Атоми замість щілин і новий рівень контролю
Щоб провести експеримент, команда охолодила понад 10 000 атомів до температури кількох мікрокельвінів, розмістивши їх у оптичній ґратці, створеній лазерами. Кожен атом виступав як ізольований квантовий канал для розсіювання фотонів. Це дозволило вченим точно моделювати ситуації, де фотони взаємодіють лише з одним або кількома атомами.
Ключовим параметром стала “нечіткість положення” атома. Чим менш жорстко атом утримувався в оптичному пінцеті, тим більше він нагадував пружину Ейнштейна, яка могла “відчути” проліт фотона. Але команда MIT довела, що “фізичної пружини не потрібно”. Лише квантова невизначеність положення відіграє роль — втрата або збереження інформації про шлях фотона повністю залежить від стану атома.
“У багатьох описах пружина відіграє ключову роль. Але ми показуємо, що важлива лише квантова нечіткість”, — пояснює перший автор Віталій Федосєєв.
Квантування поведінки світла: хвиля чи частинка?
Завдяки точному контролю над інтенсивністю лазерного пучка та затримками в мільйонні частки секунди, команда змогла фіксувати випадки, коли фотон поводився частково як хвиля, а частково як частинка. Цього досягли, варіюючи ступінь “розмитості” атомів, що дозволяло точно налаштувати ймовірність хвильової або частинкової поведінки фотона. Це відображає основну передбачення квантової теорії: чим більше інформації про шлях — тим менше видимість інтерференції.
Ці результати були експериментальним підтвердженням принципу комплементарності: неможливо спостерігати одночасно обидві властивості світла — хвильову та корпускулярну. Саме цей принцип лежав в основі аргументації Бора проти Ейнштейна в історичній дискусії.
Новий рівень квантового контролю
MIT провів експеримент без застосування будь-яких механічних частин, які могли б фізично відчути фотон. Це унікальне досягнення в області квантового керування окремими частинками. Завдяки високочутливим камерам і лазерам, атоми були тимчасово залишені вільно завислими в просторі — без жорсткого утримання. У ці моменти вони діяли як “вільні щілини”, подібно до уявного сценарію Ейнштейна з тонкою пружиною. Проте навіть у цьому випадку результат був однаковим: неможливість одночасного спостереження двох властивостей фотона.
Історична завершеність та нові перспективи
Публікація результатів у журналі Physical Review Letters символічно збіглася з тим, що 2025 рік оголошено Міжнародним роком квантової науки. Саме через 100 років після того, як Нільс Бор і Альберт Ейнштейн обговорювали глибоку природу світла і вимірювання, MIT надає експериментальну відповідь на теоретичну суперечку.
“Це чудовий збіг — внести вклад у вирішення цієї історичної суперечки саме у рік святкування квантової фізики”, — наголосив співавтор Ю К’юн Лі.
Результати відкривають нові можливості для експериментальної квантової оптики. Сучасні технології дозволяють керувати окремими атомами і фотонами з безпрецедентною точністю. Надалі це може бути використано у створенні квантових комп’ютерів, симуляторів, а також у фундаментальних тестах реальності.
Квантова механіка знову підтвердила свою силу — і цього разу остаточно переважила інтуїцію Ейнштейна.
#Ейнштейн #помилявся #щодо #природи #світла
Source link
