Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) провели так называемый "идеализированный" эксперимент с двумя щелями и получили дополнительные доказательства, что Эйнштейн, возможно, ошибался в своей интерпретации этого явления. Эксперимент с двумя щелями и его различные вариации остаются одними из самых загадочных открытий, сделанных человечеством в рамках научного поиска, сообщает IFLScience.
В 1801 году Томас Юнг направил свет на экран, который имел две щели. В то время преобладала корпускулярная теория света, предложенная Исааком Ньютоном, согласно которой свет состоит из безмассовых частиц — "корпускул". Однако Юнг оказался свидетелем не просто появления двух световых точек, а интерференционной картины, указывающей на волновую природу света, который проходил через две щели и создавал уходящие друг от друга волновые узоры.
Эти результаты помогли ученым осознать, что свет обладает волновыми свойствами. Однако по мере углубления в изучение этого феномена возникали все новые загадки. Например, если пытаться установить, через какую щель прошёл фотон, интерференционная картина исчезает, и наблюдается паттерн, который соответствует поведению частиц.
Эйнштейн, который получил Нобелевскую премию за изучение фотоэлектрического эффекта и продемонстрировал двойственную природу света (в виде волн и частиц, называемых фотонами), прекрасно осознавал этот парадокс и много спорил об этом с Нильсом Бором. Он полагал, что можно найти способ, с помощью специальной экспериментальной установки — например, используя чувствительные пружины, — чтобы определить, через какую щель прошёл фотон, не разрушая при этом интерференционную картину.
Нильс Бор опирался на принцип неопределённости Гейзенберга, согласно которому точное определение места частицы приводит к неопределённости её импульса, чтобы показать, что попытки выяснить путь частицы неизбежно нарушают интерференцию.
К сожалению для Эйнштейна, все исследования, выполненные позже, включая эксперименты с пружинами, подтверждали, что интерференционная картина исчезает, как только мы узнаем путь фотона. На этот раз учёные провели эксперимент в наиболее "идеализированной" форме на сегодняшний день.
Согласно MIT, ученые изучали ультрахолодные атомы и то, как взаимодействие света с ними позволяет понять их свойства. "Мы осознали, что можем количественно измерить, насколько рассеяние света ведёт себя как частица или как волна. Мы быстро поняли, что можем этот подход использовать для воссоздания знаменитого эксперимента в очень идеализированной форме", — отметил Виталий Федосеев, один из авторов исследования.
В ходе эксперимента ученые охладили более 10 000 атомов до микрокельвиновых температур, создав облако, и с помощью лазеров организовали атомы в решётку, подобную кристаллу. В такой конфигурации каждый атом располагался на достаточном расстоянии от соседей, чтобы его можно было рассматривать как отдельную частицу.
Когда слабый световой луч проходил через это облако, его поведение между двумя соседними атомами напоминало прохождение света через две щели в классическом эксперименте Юнга. "То, что мы сделали, можно расценивать как новую вариацию эксперимента с двумя щелями. Эти отдельные атомы — это самые маленькие "щели", которые мы только можем создать," — заявил профессор физики и лауреат Нобелевской премии Вольфганг Кеттерле.
Исследователи также имели возможность регулировать степень удержания атомов на месте. Чем больше атомы "размывались" (то есть меньше фиксировались в пространстве), тем сильнее они реагировали на свет, и вероятность проявления частичного поведения света возрастала. Изучив данные, собранные ультрачувствительным детектором, команда обнаружила, что поведение света отвечает предсказаниям квантовой механики. Это ещё раз подтверждает, что эксперимент с идеальными пружинами привёл бы к такому же результату и что Эйнштейн ошибался.
"Во многих обсуждениях акцентируется внимание на пружинах. Однако мы показываем, что суть заключается не в пружинах, а в "размытости" атомов. Необходимо использовать более глубокое описание, основанное на квантовых корреляциях между фотонами и атомами", — подчеркнул Федосеев.
