Ейнштейн помилявся: квантові фізики довели справжню природу світла

Уже понад 100 років відомо, що світло є і хвилею, і частинкою. Фізики за допомогою окремих, сильно охолоджених атомів, підтвердили, що, хоча світло може поводитися як частинка або хвиля, не можна побачити його поведінку як частинки і хвилі одночасно. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Дивна поведінка світла: експеримент із двома щілинами

У XVII столітті Ісаак Ньютон вважав, що світло має складатися з частинок, а Християн Гюйгенс вважав, що світло являє собою хвилю. У 1801 році фізик Томас Юнг провів знаменитий експеримент із двома щілинами, у якому він спрямовував світло через дві вузькі щілини на стіну, де воно утворювало яскраві й темні смуги, які називаються картиною класичної інтерференції. Інтерференція — це перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення декількох хвиль світла.

Якби світло було часткою, можна було очікувати появи двох смуг світла, що перекриваються, на стіні під час проходження різних фотонів через кожну з двох щілин. Юнг виявив, що світло розподіляється по стіні, утворюючи інтерференційні картини світла і тіні, що чергуються. Це можна було пояснити тільки тим, що хвилі світла виходять з кожної щілини і взаємодіють одна з одною, що призводить до конструктивної і деструктивної інтерференції.

На початку XX століття Макс Планк довів, що світло випромінюється крихітними порціями, що мають назву кванти. Альберт Ейнштейн довів, що квант світла є часткою під назвою фотон. Пізніше квантова фізика показала, що фотони також поводяться як хвиля. Тобто світло — це одночасно і хвиля, і частинка. Така поведінка світла називається корпускулярно-хвильовим дуалізмом.

Нільс Бор проти Альберта Ейнштейна: фізики сперечалися про природу світла

Принцип невизначеності стверджує, що ми ніколи не зможемо спостерігати фотон, який поводиться одночасно як хвиля і частинка. Засновник квантової фізики Нільс Бор також у 20-х роках минулого століття ввів поняття "принцип додатковості". Він свідчить, що додаткові властивості квантової системи, як-от поведінка у вигляді хвилі та частинки, ніколи не можна виміряти одночасно.

Ейнштейн шукав способи спростувати принцип додатковості і повернувся до експерименту Юнга з двома щілинами. Ейнштейн стверджував, що під час проходження фотона через одну зі щілин стінки щілини мають відчувати невелику силу, щось на кшталт шелесту листя, що створюється птахом, який пролітає повз, але в даному разі силу створював фотон, який пролітає повз. Таким чином, можна вимірювати світло, що діє як частинка фотон під час руху через щілину і як хвиля під час взаємодії з іншими фотонами.

Бор не погодився з твердженням Ейнштейна. Принцип невизначеності описує, як можна одночасно знати імпульс фотона і його точне положення, і обидві ці властивості є взаємодоповнюючими. Отже, Бор заявив, що вимірювання "шелесту" фотона, що проходить, призведе лише до стирання поведінки у вигляді хвилі, а інтерференційна картина, створювана експериментом із двома щілинами, буде замінена лише двома яскравими смугами.

Новий експеримент показав, що Ейнштейн помилявся

Відтоді багато експериментів показували, що Бор мав рацію. Але залишався невеликий сумнів у тому, що може бути правий Ейнштейн.

Автори дослідження провели нову версію експерименту з двома щілинами, використовуючи для цього атоми та фотони. За допомогою лазерів фізики розмістили 10 000 окремих атомів, які були охолоджені майже до абсолютного нуля. Кожен атом діяв як щілина, в тому сенсі, що фотони могли розсіюватися від них у різних напрямках, і в результаті безлічі експериментів створювалася картина зі світлих і темних смуг, заснована на ймовірності того, що фотон буде розсіюватися в певних напрямках більше, ніж в інших. Таким чином, розсіювання створило ту саму картину, що і в експерименті з двома щілинами.

Новий експеримент показав, що Бор мав рацію, а Ейнштейн помилявся. Що більше вимірювався "шелест" атомів, то слабкішою ставала дифракційна картина, оскільки фотони, виміряні як частинки, більше не інтерферували з фотонами, які не були виміряні як частинки. Фізики підтвердили, що поведінку світла у вигляді частинки і у вигляді хвилі неможливо побачити одночасно.

Цей експеримент ще більше підтверджує дивовижність квантової фізики, в якій частинки мають подвійну природу, і неможливо одночасно виміряти їхні додаткові властивості.

Раніше фізики представили нову теорію, яка стверджує, що світло потрібно розглядати як частинку, а не як хвилю, як уже писав Фокус.