Эйнштейн ошибался: квантовые физики доказали истинную природу света

Уже более 100 лет известно, что свет является и волной, и частицей. Физики с помощью отдельных, сильно охлажденных атомов, подтвердили, что, хотя свет может вести себя как частица или волна, нельзя увидеть его поведение как частицы и волны одновременно. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, пишет Space.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Странное поведение света: эксперимент с двумя щелями

В XVII веке Исаак Ньютон считал, что свет должен состоять из частиц, а Христиан Гюйгенс считал, что свет представляет собой волну. В 1801 году физик Томас Юнг првоел знаменитый эксперимент с двумя щелями, в котором он направлял свет через две узкие щели на стену, где он образовывал яркие и темные полосы, называемые картиной классической интерференции. Интерференция — это перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких волн света.

Если бы свет был частицей, можно было ожидать появления двух перекрывающихся полос света на стене при прохождении разных фотонов через каждую из двух щелей. Юнг обнаружил, что свет распределяется по стене, образуя чередующиеся интерференционные картины света и тени. Это можно было объяснить только тем, что волны света исходят из каждой щели и взаимодействуют друг с другом, что приводит к конструктивной и деструктивной интерференции.

В начале XX века Макс Планк доказал, что свет излучается крошечными порциями под названием кванты. Альберт Эйнштейн доказал, что квант света является частицей под названием фотон. Позже квантовая физика показала, что фотоны также ведут себя как волна. То есть свет – это одновременно и волна, и частица. Такое поведение света называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Нильс Бор против Альберта Эйнштейна: физик спорили о природе света

Принцип неопределенности утверждает, что мы никогда не сможем наблюдать фотон, который ведет себя одновременно, как как волна и частица. Основатель квантовой физики Нильс Бор также в 20-х годах прошлого века ввел понятие "принцип дополнительности". Он гласит, что дополнительные свойства квантовой системы, такие как поведение в виде волны и частицы, никогда нельзя измерить одновременно.

Эйнштейн искал способы опровергнуть принцип дополнительности и вернулся к эксперименту Юнга с двумя щелями. Эйнштейн утверждал, что при прохождении фотона через одну из щелей стенки щели должны испытывать небольшую силу, нечто в виде шелеста листьев, создаваемого пролетающей птицей, но в данном случае сила создавалась проходящим фотоном. Таким образом, можно измерять свет, действующий как частица фотон при движении через щель и как волна при взаимодействии с другими фотонами.

Бор не согласился с утверждением Эйнштейна. Принцип неопределенности описывает, как можно одновременно знать импульс фотона и его точное положение и оба эти свойства являются взаимодополняющими. Следовательно, Бор заявил, что измерение "шелеста" проходящего фотона приведет лишь к стиранию поведения в виде волны, а интерференционная картина, создаваемая экспериментом с двумя щелями, будет заменена всего двумя яркими полосами.

Новый эксперимент показал, что Эйнштейн ошибался

С тех пор многие эксперименты показывали, что Бор был прав. Но оставалось небольшое сомнение в том, что может быть прав Эйнштейн.

Авторы исследования провели новую версию эксперимента с двумя щелями, используя для этого атомы и фотоны. С помощью лазеров физики разместили 10 000 отдельных атомов, которые были охлаждены почти до абсолютного нуля. Каждый атом действовал как щель, в том смысле, что фотоны могли рассеиваться от них в разных направлениях, и в результате множества экспериментов создавалась картина из светлых и темных полос, основанная на вероятности того, что фотон будет рассеиваться в определенных направлениях больше, чем в других. Таким образом, рассеивание создало ту же картину, что и в эксперименте с двумя щелями.

Новый эксперимент показал, что Бор был прав, а Эйнштейн ошибался. Чем больше измерялся "шелест" атомов, тем слабее становилась дифракционная картина, поскольку фотоны, измеренные как частицы, больше не интерферировали с фотонами, которые не были измерены как частицы. Физики подтвердили, что поведение света в виде частицы и в виде волны невозможно увидеть одновременно.

Этот эксперимент еще больше подтверждает странность квантовой физики, в которой частицы имеют двойственную природу, и невозможно одновременно измерить их дополнительные свойства.