Ученые впервые достоверно воспроизвели мысленный эксперимент, предложенный Альбертом Эйнштейном почти столетие назад, и показали, что квантовый мир ведет себя ровно так, как знаменитый физик не смог до конца принять.
В квантовой физике фотоны и другие частицы могут вести себя и как частицы, и как волны. Знаменитый опыт с двумя щелями лучше всего демонстрирует этот парадокс: когда одиночный фотон проходит через две щели, на экране возникает интерференционная картина, словно он — волна, прошедшая через обе щели. Но если наблюдатель попытается определить, через какую именно щель прошел фотон, картина исчезает, и фотон снова ведет себя как частица.
На заре квантовой физики это контринтуитивное явление было предметом бурных дебатов. Нильс Бор был уверен, что это фундаментальный закон природы, Эйнштейн выражал сомнения.
Мысленный эксперимент
На историческом Сольвеевском конгрессе 1927 года в Брюсселе он предложил остроумный способ проверить правоту Бора. В модифицированной версии эксперимента перед экраном помещалась подвижная перегородка с двумя щелями. Когда фотон проходит через одну из щелей, он сообщает перегородке крошечный «толчок» — отдачу. По идее, измерение этого толчка должно помочь определить, какой щелью воспользовался фотон, не нарушая при этом волновую картину.
Хотя Эйнштейн полагал, что такое измерение возможно без разрушения интерференции, десятилетиями оно оставалось чисто гипотетическим. Импульс от одного фотона слишком мал — обычные детекторы не могут его зарегистрировать, не нарушив ход эксперимента.
Профессор Пань Цзяньвэй и его команда из Научно-технического университета Китая создали установку, достаточно чувствительную, чтобы зарегистрировать крошечный импульс отдачи одного-единственного фотона. Результаты их опытов опубликованы в Physical Review Letters.
Они полностью подтвердили правоту Бора: оба свойства действительно нельзя наблюдать сразу — и это устанавливает предел нашему познанию.
Рецензенты журнала назвали работу «значительным вкладом в основы квантовой механики», охарактеризовав ее как «изящную» и «классическую реализацию столетнего мысленного эксперимента».
Практическая реализация
В своем исследовании китайские физики использовали в качестве подвижного объекта из предложения Эйнштейна одиночный атом рубидия, охлажденный почти до абсолютного нуля и удерживаемый лазерным светом.
Идея заключалась в том, что проходящие фотоны будут слегка «подталкивать» атом, и характер этого толчка, зависящий от их направления, раскроет путь каждого фотона. Исследователи меняли силу удержания атома рубидия в лазерной ловушке.
Когда ловушка была «слабой», атом слегка смещался, раскрывая путь фотона — но интерференционная картина при этом исчезала. Когда же ловушка была «жесткой», атом почти не двигался, путь оставался неизвестным, и интерференционная картина вновь появлялась.
Как и предсказывал Бор, наблюдение одного свойства стирает другое. Хотя это не первый эксперимент, подтвердивший принцип Бора, команда Паня построила исключительно точную установку.
Эта установка открывает потенциал для изучения других, менее изученные аспекты квантовой механики, пишет онлайн-журнал Американского физического общества. Например, можно исследовать взаимодействие эффектов запутанности и декогеренции, прокладывая путь к лучшему управлению квантовыми системами и созданию более надежных технологий.
Физики провели идеализированную версию знаменитого двухщелевого опыта
Один и тот же фотон поймали в двух местах одновременно
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram