Нільс Бор переміг Ейнштейна: вчені створили дифракційну решітку з «заморожених» атомів, які розсіюють фотони по одному

Дуальна природа світла вже давно хвилює вчених. Це навіть призвело свого часу до суперечки між Альбертом Ейнштейном та Нільсом Бором стосовно того, чи можна одночасно спостерігати за світлом у вигляді хвилі та частинок.

Нещодавно фізики з Массачусетського технологічного інституту провели новий експеримент зі щілинами, крізь які пропускалось світло, з неймовірною атомною точністю. Результати їхнього експерименту остаточно поклали край давній суперечці між Ейнштейном та Бором щодо невловимої природи світла.

Експеримент з двома щілинами вперше провів Томас Юнг у 1801 році. Цей експеримент став наріжним каменем квантової механіки. Це яскравий приклад, коли світло проявляє як хвильову та і корпускулярну природу. Спершу експеримент продемонстрував, що внаслідок проходження світла через дві щілини утворюється інтерференційна картина — яскраві і темні смуги, що чергуються і ведуть себе як хвилі. 

Однак у разі спроб фізиків прослідкувати, крізь яку щілину проходить світло, інтерференційна картина зникала і світло вже поводилось подібно до частинок. Це підкреслює ключовий принцип квантової механіки — світло існує у вигляді хвиль і частинок, однак одночасно можна спостерігати лише за одним з його станів.

Це призвело до суперечки між Ейнштейном та Бором у 1927 році. Ейнштейн, зокрема, був переконаний, що здатен розробити експеримент, який дозволить одночасно спостерігати за траєкторією частинок світла та інтерференцією світлових хвиль. Бор, спираючись на принцип невизначенності, стверджував, що будь-яка спроба виміряти траєкторію фотона неминуче порушить його та зруйнує інтерференційну картину.

Протягом десятиліть після цієї суперечки численні повторення експерименту з двома щілинами підтверджували правоту Бора. Але тепер фізики Массачусетського технологічного інституту під керівництвом професора Вольфганга Кеттерле створили найідеалізованішу на сьогодні версію, довівши її до квантової основи.

 Замість фізичних щілин фізики MIT використовували окремі ультрахолодні атоми. Вони охолодили понад 10 тис. атомів майже до абсолютного нуля і за допомогою лазерів розмістили їх у точній кристалоподібній гратці. Кожен атом фактично представляв ізольований аналог щілини. 

Далі фізики посвітили дуже слабким променем світла, гарантуючи, що кожен атом розсіює не більше одного фотона. Науковці висунули гіпотезу, що їхня установка, що використовує окремі, точно структуровані атоми, може бути мініатюрним аналогом двощілинного експерименту. Спрямовуючи слабкий промінь світла на атоми, фізики MIT могли вивчати, як поодинокі атоми взаємодіють із двома сусідніми, з’ясовуючи, поводиться світло подібно до хвилі, чи до частинки. 

Науковці змогли точно налаштувати «розмитість» цих атомних щілин, регулюючи лазерний промінь, який їх утримував. Розмитість цих атомів впливала на обсяг інформації про траєкторію фотона. Їхні результати повністю узгоджувалися з квантовою теорією і остаточно підтверджували точку зору Бора.

Чим точніше фізики визначали траєкторію фотона (підтверджуючи його корпускулярну поведінку), тим більше затухала хвилеподібна інтерференційна картина. Дослідники спостерігали, що картина інтерференції хвиль слабшала щоразу, коли атом піддавався впливу фотона, що пролітає повз. Це підтвердило, що отримання інформації про маршрут фотона автоматично стирало його хвильові властивості.

Результати дослідження опубліковані у журналі Physical Review Letters

Джерело: Interesting Engineering