Странный космический эксперимент подтвердил, что, как говорит квантовая механика, реальность - это то, что вы выбираете. Физикам давно известно, что квант света или фотон будет вести себя как частица или волна в зависимости от того, как они его измеряют. Теперь, отразив фотоны от спутников, команда подтвердила, что наблюдатель может принять это решение даже после того, как фотон почти полностью прошел эксперимент - по-видимому, далеко за точку, в которой он станет либо волной, либо частицей. Исследователи говорят, что такие эксперименты с отложенным выбором могут когда-нибудь исследовать нечеткую границу между квантовой теорией и теорией относительности.
Другие исследователи продемонстрировали такой же противоречивый эффект в лаборатории. Но новая работа показывает, что природа фотона остается неопределенной даже на расстоянии тысяч километров, - говорит Филипп Гранжье, физик из Института оптики в Палезо, Франция, который участвовал в более раннем испытании. «Это очень хороший эксперимент, демонстрирующий их способность заниматься квантовой физикой в космосе».
Другие исследователи продемонстрировали такой же противоречивый эффект в лаборатории. Но новая работа показывает, что природа фотона остается неопределенной даже на расстоянии тысяч километров, - говорит Филипп Гранжье, физик из Института оптики в Палезо, Франция, который участвовал в более раннем испытании. «Это очень хороший эксперимент, демонстрирующий их способность заниматься квантовой физикой в космосе».
Уилер представил, что фотоны посылаются по одному через так называемый интерферометр Маха-Цендера, который подчеркивает волновую природу света. Используя зеркальный «светоделитель», интерферометр разделяет квантовую волну входящего фотона пополам и отправляет две волны разными путями, как люди, идущие противоположными путями вокруг квартала. Затем второй светоделитель рекомбинирует волны, которые интерферируют друг с другом, чтобы шунтировать фотон на любой из пары детекторов. Какой детектор срабатывает, зависит от разницы в длине двух путей, как и ожидалось для интерферирующих волн.
Волна или частица?
Фотон обычно проходит через интерферометр Маха-Цендера обоими путями, а затем волнообразная интерференция может шунтировать его к одному или другому детектору. Уберите второй светоделитель, и, как частица, фотон должен пройти по тому или иному пути и с одинаковой вероятностью поразит любой детектор.
Удалите второй светоделитель, и интерференция станет невозможной. Вместо этого первый светоделитель отправляет фотон по тому или иному пути, как частица. Поскольку пути пересекаются там, где должен был находиться второй светоделитель, детекторы щелкают с равной вероятностью независимо от длины путей. Уиллер понял, что экспериментаторы могут даже подождать, чтобы удалить второй светоделитель, пока фотон не пройдет через первый светоделитель. Это утверждение, как ни странно, предполагает, что решение в настоящем определяет событие в прошлом: разделился ли фотон, как волна, или пошел одним путем, как частица. Квантовая теория избегает этой проблемы, предполагая, что до момента измерения фотон остается и частицей, и волной
Теперь команда под руководством Франческо Ведовато и Паоло Виллорези из Университета Падуи в Италии выполнила версию эксперимента с использованием 1,5-метрового телескопа в обсерватории лазерного дальномера Матеры на юге Италии, чтобы отразить фотоны от спутников, находящихся на расстоянии тысяч километров. На таких расстояниях физики не могут заставить свет идти двумя параллельными путями, отмечает Виллорези, поскольку распространяющиеся лучи могут перекрываться и сливаться. Вместо этого они посылают фотон через интерферометр Маха-Цендера на Земле, пути которого имеют разную длину. Разница в длине пути разделяет одиночный импульс на два, разделенных по времени 3,5 наносекундами, которые затем телескоп выстреливает в небо.
Как только импульсы возвращаются, экспериментаторы пропускают их обратно через интерферометр. Устройство может либо отменить сдвиг по времени, чтобы два импульса перекрывались и интерферировали, как волны, либо удвоить его, чтобы интерференция была невозможна. Конечно, физики должны выбрать, что произойдет. Когда импульсы впервые покидают интерферометр, они имеют разные поляризации. Чтобы отменить сдвиг во времени, физики сначала должны использовать очень быструю электронную поляризацию, чтобы изменить свою поляризацию определенным образом. Чтобы удвоить временной сдвиг, они просто не трогают свои поляризации.
Когда экспериментаторы заставляют импульсы перекрываться, фотон запускает тот или иной детектор с вероятностью, которая зависит от скорости падения спутника, как и ожидалось для мешающих волн. Когда импульсы не могут мешать, тогда фотон, как частица, попадает в любой из детекторов с вероятностью 50-50 независимо от скорости спутника. Важно отметить, что физики выбирают, какое измерение проводить после того, как свет от спутника отразится на полпути через 10 миллисекунд, сообщают они 25 октября в Science Advances . Опять же, отложенное решение, кажется, возвращается назад во времени, определяя, как фотон вел себя после того, как он покинул первый светоделитель.
Эксперимент - не самая строгая проверка идеи Уиллера, отмечает Жан-Франсуа Рош, физик из Высшей школы в Париже, который в 2007 году провел более точный тест. Например, чтобы увидеть свет на таких больших расстояниях, Виллорези и его коллеги должны испускать импульсы, содержащие много фотонов, вместо отдельных фотонов, указанных Уилером. Тем не менее, по словам Роха, этот эксперимент - достойный внимания пример переноса «квантовой оптики» из лаборатории в космос. В мае физики в Китае использовали спутник, чтобы установить странную квантовую связь, называемую запутыванием, между двумя фотонами, отправленными в удаленные города.
По словам Роха, эксперименты с отложенным выбором могут помочь исследовать границу между теорией относительности, которая требует, чтобы причина предшествовала следствию, и квантовой теорией. Хотя, строго говоря, эффект не нарушает причинно-следственную связь, он все же вызывает напряжение, предполагая, что измерение в настоящем формирует то, что можно сделать вывод о прошлом. «Эта область, в которой вы смешиваете квантовую механику и теорию относительности, все еще относительно не исследована, - говорит Рох, - и это своего рода эксперимент, который поднял возможность исследования связи» между ними.
