Ейнштейн помилився у квантовій механіці: через 100 років довів експеримент фізиків

Фізики реалізували сучасну версію уявного експерименту, запропонованого Альбертом Ейнштейном для спростування принципу додатковості, який Нільс Бор вважав важливою особливістю квантової механіки. Згідно з принципом додатковості Бора, існують парні властивості частинок, які не можна виміряти одночасно, наприклад, у даному випадку, положення та імпульс частинки. На жаль для Ейнштейна, результати нового експерименту підтвердили теорію Бора і його принцип додатковості, що потенційно може пролити світло на інші питання квантової механіки. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters, пише Newsweek.

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

Суперечка Ейнштейна і Бора

Зустрічаючись на наукових конференціях, Альберт Ейнштейн і Нільс Бор любили подискутувати про квантову механіку. Ейнштейн завжди скептично ставився до квантової механіки і вважав, що реальність можна описати за допомогою законів класичної фізики і не припускав наявності будь-якої випадковості в поведінці частинок. Ейнштейн стверджував, що виявив невідповідності в інтерпретації квантової механіки Бором.

У 1927 році на черговій конференції в Брюсселі Ейнштейн представив Бору свій уявний експеримент, щоб спростувати принцип додатковості. Ейнштейн заявив, що його експеримент показує основне протиріччя в принципі додатковості, згідно з яким пари властивостей частинок, як-от положення та імпульс, частота і час життя, не можуть бути виміряні одночасно. Принцип додатковості лежить в основі концепцій корпускулярно-хвильового дуалізму і принципу невизначеності Гейзенберга.

Ідея Ейнштейна ґрунтувалася на реальному експерименті з двома щілинами фізика Томаса Юнга, який 1801 року показав, що світло поводиться і як частинка, і як хвиля. Це і є корпускулярно-хвильовий дуалізм. У 1927 році таку саму двоїсту природу електронів показав новий експеримент.

В експерименті Юнга джерело світла спрямовується на пластину з двома горизонтальними щілинами, за якою знаходиться екран. Проходження світла через щілини не тільки призводить до утворення інтерференційної картини, що ґрунтується на хвильових властивостях світла, а й змушує його потрапляти на екран тільки в дискретних точках, як частинки.

• Інтерференція - це перерозподіл інтенсивності світла внаслідок накладення кількох хвиль світла.

Експеримент Ейнштейна для спростування принципу додатковості Бора

У рамках розширення експерименту Юнга Ейнштейн припустив, що частинки спочатку проходять через одну щілину, також розташовану горизонтально. Цю щілину мали утримувати зверху і знизу пружини, чутливі до імпульсу. Потім світло має пройти через подвійну щілину.

Ідея Ейнштейна полягала в тому, що частинки, які прямують до верхньої з двох щілин, передаватимуть невелику кількість імпульсу вниз одиночній щілині, демонструючи те, що світло поводиться як частинка. Але потім пройшовши через подвійну щілину, світло проявить себе як хвиля, утворюючи інтерференційну картину. Але це суперечило б принципу додатковості Бора.

Бор не погодився з цим твердженням Ейнштейна, стверджуючи, що точне вимірювання імпульсу частинки за допомогою поодинокої щілини залишить більшу невизначеність у положенні частинки, згідно з принципом невизначеності Гейзенберга, і призведе до відповідного розмиття смуг на інтерференційній картині.

Новий експеримент довів, що Ейнштейн помилявся

Під час нового дослідження фізики провели оновлену версію експерименту Ейнштейна, довівши правильність принципу додатковості Бора і те, що Ейнштейн помилявся.

В експерименті фізиків поодиноку щілину замінили охолодженим атомом рубідію, утримуваним оптичним пінцетом. Це дало змогу атому рубідію слугувати роздільником променів світла. В експерименті одиночний атом слугував роздільником променя світла, імпульс якого квантово заплутаний з імпульсом падаючого фотона, тобто частинки світла, а невизначеність його імпульсу зводиться до невизначеності імпульсу одиночного фотона.

Регулювання глибини оптичного пінцета змінювало внутрішню невизначеність імпульсу атома рубідію, а це, своєю чергою, робило смуги на інтерференційній картині більш-менш розмитими, як передбачав Бор і його принцип додатковості.

Фокус уже писав про те, чому архітектор квантової механіки Макс Борн розлютив Альберта Ейнштейна.