Используя отдельные атомы и одиночные фотоны, специалисты из Массачусетского технологического института (MIT) показали с беспрецедентной точностью двойственную природу света и подтвердили, что Альберт Эйнштейн ошибался в одном из ключевых квантовых вопросов.
Эксперимент с двумя щелями был впервые проведен в 1801 году Томасом Юнгом и продемонстрировал волновую природу света. В XX веке, с развитием квантовой механики, стало ясно, что свет ведет себя и как частица, и как волна, но не одновременно. Попытка зафиксировать фотон как частицу мгновенно «стирает» волновую интерференционную картину, и наоборот. Этот эффект стал краеугольным камнем квантовой теории и долгое время оставался объектом философских споров между физиками, в частности между Эйнштейном и Нильсом Бором.
В 1927 году Эйнштейн выдвинул идею, что, если фотон проходит через одну из двух щелей, он должен оказать крошечное воздействие на стенку этой щели — словно птица, задевающая лист при пролете. По его мнению, измерив это воздействие, можно было бы одновременно зафиксировать и частицу, и волну. Бор, опираясь на принцип неопределенности, доказал, что сама попытка узнать путь фотона разрушает интерференционную картину.
Команда MIT во главе с лауреатом Нобелевской премии Вольфгангом Кеттерле воспроизвела эту концепцию в максимально «чистой» форме. Они использовали более 10 000 сверхохлажденных атомов, которые удерживались лазерным светом в форме кристаллической решетки, каждая ячейка которой играла роль отдельной щели. Через эту решетку пропускали слабый световой луч так, чтобы каждый атом взаимодействовал максимум с одним фотоном. Настраивая квантовые состояния атомов, ученые могли точно контролировать, какую информацию атомы получают о пути фотона.
Вывод оказался однозначным: чем больше информации удавалось получить о том, через какой «щелевой атом» прошел фотон, тем менее выраженной становилась волновая интерференционная картина. Это полностью подтвердило предсказания квантовой механики и опровергло гипотезу Эйнштейна. Взаимодействие фотона с атомом действительно нарушает интерференцию — именно это явление наблюдали физики.
Особенно важным стало то, что ученые смогли исключить «пружину» — элемент, о котором рассуждал Эйнштейн. Они кратковременно отключили лазерное удержание атомов, позволяя им «плавать» в свободном пространстве. Даже без какого-либо удерживающего механизма наблюдался тот же квантовый эффект: невозможно одновременно зафиксировать и частицу, и волну.
Ключевой аспект эксперимента заключался в контроле «размытости» атомов. Чем слабее лазер удерживал атом, тем «фазово неопределеннее» он становился и тем выше была вероятность того, что он запомнит путь фотона, нарушив тем самым интерференцию. В результате ученые продемонстрировали, что не механическое воздействие или макроскопические измерения определяют квантовую природу света, а исключительно степень квантовой запутанности между фотонами и атомами.
Это исследование не только подтверждает фундаментальные положения квантовой теории, но и является символичным вкладом в науку в год, когда отмечается столетие со дня ее возникновения. В 2025 году, провозглашенном ООН Международным годом квантовой науки и технологий, эксперимент MIT стал элегантным научным ответом на спор, длившийся почти век — и лишний раз подчеркнул, насколько парадоксальна и точна природа квантового мира.
Тем временем физики описали редкое оптическое явление: рассеяние света на свете.