Ученые осуществили одну из самых известных демонстраций в квантовой физике — эксперимент с двумя щелями — в на сегодняшний день самой «чистой» форме.
С помощью отдельных атомов и одиночных фотонов, эксперты из Массачусетского технологического института (MIT) продемонстрировали с беспрецедентной точностью двойственную природу света и подтвердили, что Альберт Эйнштейн ошибался в одном из ключевых квантовых вопросов.
Эксперимент с двумя щелями был впервые осуществлен в 1801 году Томасом Юнгом и показал волновую природу света. В XX веке, с развитием квантовой механики, стало очевидно, что свет ведет себя как частица и как волна, но не одновременно. Попытка зафиксировать фотон как частицу мгновенно «стирает» волновую интерференционную картину, и наоборот. Этот эффект стал краеугольным камнем квантовой теории и долгое время оставался предметом философских споров между физиками, в частности между Эйнштейном и Нильсом Бором.
В 1927 году Эйнштейн выдвинул гипотезу, что, если фотон проходит через одну из двух щелей, он должен оказать небольшое воздействие на стенку этой щели — подобно птице, касающейся листа при пролете. По его мнению, измерив это воздействие, можно было бы одновременно зафиксировать и частицу, и волну. Бор, опираясь на принцип неопределенности, доказал, что сама попытка узнать путь фотона разрушает интерференционную картину.
Исследовательская группа MIT под руководством лауреата Нобелевской премии Вольфганга Кеттерле воспроизвела эту концепцию в максимально «чистой» интерпретации. Они применили более 10 000 сверхохлажденных атомов, удерживаемых лазерным светом в форме кристаллической решетки, где каждая ячейка функционировала как отдельная щель. Слабый световой луч, проходя через эту решетку, взаимодействовал с каждым атомом максимум с одним фотоном. Регулируя квантовые состояния атомов, ученые могли точно контролировать, какую информацию атомы получают о пути фотона.
Результаты оказались однозначными: чем больше информации удавалось собрать о том, через какой «щелевой атом» прошел фотон, тем менее выраженной становилась волновая интерференционная картина. Это полностью подтвердило предсказания квантовой механики и опровергло гипотезу Эйнштейна. Взаимодействие фотона с атомом действительно нарушает интерференцию — именно это явление наблюдали физики.
Особое значение приобрело то, что ученые смогли исключить «пружину» — элемент, о котором рассуждал Эйнштейн. Кратковременно отключив лазерное удержание атомов, они позволили им «плавать» в свободном пространстве. Даже без какого-либо удерживающего механизма наблюдался тот же квантовый эффект: невозможно одновременно зафиксировать и частицу, и волну.
