Уже два столетия ученые ломают головы над природой света. Сперва победу одержала концепция волн, затем вернулась идея частиц. Итогом стало нечто среднее — «корпускулярно-волновые свойства». Однако даже эта формулировка выглядела недостаточно убедительной, особенно когда дело касалось явлений вроде дифракции и интерференции — способности света огибать преграды и формировать полоски на экранах.
Теперь группа исследователей из Бразилии, Швейцарии и Германии предложила революционную трактовку процессов, лежащих в основе интерференции. По мнению авторов, нам вовсе не нужны представления о волнах. Все необходимые объяснения лежат в плоскости взаимодействия частиц (фотонов) с веществами.
Как возник исторический тупик?
История вопроса уходит корнями далеко назад. Изначально Исаак Ньютон отстаивал представление о свете как потоке мельчайших частиц («корпускул»). Христиан Гюйгенс предложил противоположную концепцию — свет является распространением волн.
В начале XIX века опыт Томаса Юнга окончательно утвердил теорию волн, поскольку показал эффект интерференции, доказывающий волновую природу света. А уравнения Джеймса Клерка Максвелла поставили последнюю точку в пользу именно такого взгляда.
Но ситуация вновь изменилась в 1905 году благодаря Альберту Эйнштейну. Его знаменитая работа о фотоэлектрическом эффекте вернула интерес к идее существования частиц света — фотонов.
Этот поворот породил серьезный парадокс: оказалось, что одновременно верно считать свет и волной, и набором отдельных частиц. Ученый Роберт Милликен выразил свое недоумение, подчеркивая, что новая теория противоречит очевидному факту интерференционных эффектов.
Почему частицы иногда взаимно уничтожаются, образуя тьму? Для волн механизм прост: встречаясь в противофазе, две волны компенсируют друг друга. Но как такое возможно с частицами? Ведь суммируя две частицы, невозможно получить отсутствие света!
Новые подходы: светлые и темные состояния
Ученые предложили иное объяснение феномену, основанное исключительно на принципах квантовой механики. Их ключевой тезис заключается в следующем: основное внимание следует уделять не способу распространения света, а особенностям его восприятия детекторами.
Детекторы работают путем поглощения энергии. Любой сигнал воспринимается тогда, когда частица света передает свою энергию атому. В результате атом возбуждается и фиксирует событие. Именно здесь появляется ключевое различие: фотоны способны находиться в состояниях, отличающихся своей способностью вызывать реакцию детекторов.
Физики выделяют два типа состояний фотонов:
- «Светлые состояния»: Фотоны, находящиеся в таком состоянии, активно взаимодействуют с детектором, передавая ему энергию и провоцируя регистрацию сигнала.
- «Темные состояния»: Здесь фотоны оказываются в особой комбинации (так называемой суперпозиции), которая физически не способна вызвать переход атома в возбужденное состояние. Другими словами, энергия этих фотонов никак не фиксируется детектором.
Куда деваются фотоны в черных полосах?
Самое интересное открытие связано с интерпретацией результатов опыта с двумя щелями. Классическая волновая теория гласит: черная область на экране возникает потому, что суммарное электромагнитное поле в данном месте сводится к нулю.
Согласно новому взгляду, фотоны никуда не пропадают — они остаются в пространстве, но становятся незаметными для наших приборов. Происходит следующее: столкнувшись с определенной конфигурацией среды, фотоны формируют сложное состояние, при котором взаимодействие с веществом оказывается заблокировано на самом глубоком квантовом уровне.
Таким образом, ранее считалось, что черные области экрана появляются вследствие уничтожения световых сигналов. Теперь утверждается другое: свет существует повсюду, однако в некоторых местах его попросту нельзя зафиксировать детектором.
От науки к технологиям. Что приносит новое видение старой проблемы?
Возможности в квантовых технологиях
Одна из главных проблем современных квантовых компьютеров — быстрое разрушение информации из-за влияния внешней среды («декогеренция»). Предложенный подход позволяет сохранить данные в форме темных состояний, недоступных внешнему воздействию. Таким образом, открывается перспектива создания надежных квантовых хранилищ.
Создание новых устройств
Понимание особенностей перехода фотонов между разными состояниями позволит разработать новые типы логических элементов, необходимых для продвинутых вычислительных операций. Управление состоянием фотонов даст возможность быстро менять режимы взаимодействия системы с внешним миром.
Интерпретация загадочных экспериментов
Одно из интересных следствий нового подхода касается известного эффекта «which-path»: попытки выяснить путь прохождения фотона приводят к исчезновению картины интерференции. Согласно традиционным воззрениям, это вызвано нарушением целостности системы внешним воздействием. Новый подход предполагает иной сценарий: сам процесс измерения разрушает способность фотона оставаться в скрытом темном состоянии, открывая его присутствие в местах, где ранее было темно.
Заключение
Работа демонстрирует, что привычное деление света на волны и частицы может оказаться ненужным упрощением. Возможно, природа света проще представить как совокупность особых состояний, одни из которых вступают во взаимодействие с материей, а другие — нет.
Однако новаторская теория вызывает ряд вопросов. Во-первых, почему старая волновая модель должна уступить место гораздо более сложной схеме множества запутанных состояний? Во-вторых, если фотоны действительно присутствуют в темных областях, но абсолютно не воспринимаются нашими приборами, имеет ли смысл говорить о них как о реальных объектах?
Пока новый подход не сможет предложить уникальные практические решения, превосходящие существующие технологии, велика вероятность, что он останется чисто академическим исследованием.