Нільс Бор та Альберт Ейнштейн/Wikipedia
Дуальная природа света уже давно волнует ученых. Это даже привело в свое время к спору между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором относительно того, можно ли одновременно наблюдать свет в виде волны и частиц.
Недавно физики из Массачусетского технологического института провели новый эксперимент со щелями, сквозь которые пропускался свет, с невероятной атомной точностью. Результаты их эксперимента окончательно положили конец давнему спору между Эйнштейном и Бором относительно неуловимой природы света.
«Физики из Массачусетского технологического института подтверждают, что, как и Супермен, свет имеет два лица, которые невозможно увидеть одновременно», — отмечают исследователи по результатам эксперимента.
Эксперимент с двумя щелями впервые провел Томас Юнг в 1801 году. Этот эксперимент стал краеугольным камнем квантовой механики. Это яркий пример, когда свет проявляет как волновую, так и корпускулярную природу. Сперва эксперимент продемонстрировал, что вследствие прохождения света через две щели образуется интерференционная картина — яркие и темные полосы, чередующиеся и ведущие себя как волны.
Однако в случае попыток физиков проследить, сквозь какую щель проходит свет, интерференционная картина исчезала и свет уже вел себя подобно частицам. Это подчеркивает ключевой принцип квантовой механики — свет существует в виде волн и частиц, однако одновременно можно наблюдать только за одним из его состояний.
Это привело к спору между Эйнштейном и Бором в 1927 году. Эйнштейн, в частности, был убежден, что способен разработать эксперимент, который позволит одновременно наблюдать за траекторией частиц света и интерференцией световых волн. Бор, опираясь на принцип неопределенности, утверждал, что любая попытка измерить траекторию фотона неизбежно нарушит его и разрушит интерференционную картину.
В течение десятилетий после этого спора многочисленные повторения эксперимента с двумя щелями подтверждали правоту Бора. Но теперь физики Массачусетского технологического института под руководством профессора Вольфганга Кеттерле создали самую идеализированную на сегодня версию, доведя ее до квантовой основы.
Вместо физических щелей физики MIT использовали отдельные ультрахолодные атомы. Они охладили более 10 тыс. атомов почти до абсолютного нуля и с помощью лазеров разместили их в точной кристаллообразной решетке. Каждый атом фактически представлял изолированный аналог щели.
Далее физики посветили очень слабым лучом света, гарантируя, что каждый атом рассеивает не более одного фотона. Ученые выдвинули гипотезу, что их установка, использующая отдельные, точно структурированные атомы, может быть миниатюрным аналогом двухщелевого эксперимента. Направляя слабый луч света на атомы, физики MIT могли изучать, как одиночные атомы взаимодействуют с двумя соседними, выясняя, ведет ли себя свет подобно волне или частице.
«То, что мы сделали, можно рассматривать как новый вариант эксперимента с двумя щелями. Эти отдельные атомы подобны самым маленьким щелям, которые только можно построить», — объясняет руководитель исследования, профессор Вольфганг Кеттерле.
Ученые смогли точно настроить «размытость» этих атомных щелей, регулируя лазерный луч, который их удерживал. Размытость этих атомов влияла на объем информации о траектории фотона. Их результаты полностью согласовывались с квантовой теорией и окончательно подтверждали точку зрения Бора.
Чем точнее физики определяли траекторию фотона (подтверждая его корпускулярное поведение), тем больше затухала волнообразная интерференционная картина. Исследователи наблюдали, что картина интерференции волн ослабевала всякий раз, когда атом подвергался воздействию пролетающего мимо фотона. Это подтвердило, что получение информации о маршруте фотона автоматически стирало его волновые свойства.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters
Источник: Interesting Engineering
Контент сайту призначений для осіб віком від 21 року. Переглядаючи матеріали, ви підтверджуєте свою відповідність віковим обмеженням.
Cуб'єкт у сфері онлайн-медіа; ідентифікатор медіа - R40-06029.