Подвійна щілина Ейнштейна трішки не така

Суперечки про природу світла йдуть у глибину століть, до 17 століття та часів Ісаака Ньютона та Крістіана Гюйгенса. Дехто, як Ньютон, вважав, що світло має складатися з частинок, щоб пояснити, чому дзеркальні зображення чіткі і наша нездатність бачити за кутами. І все ж, як зазначали Гюйгенс та інші, світло демонструє хвилеподібну поведінку, таку як дифракція та заломлення.

У 1801 році фізик Томас Янг розробив знаменитий експеримент з подвійною щілиною, в якому він освітлював когерентне джерело світла через дві вузькі щілини на стіну. Якби світло було частинкою, ми б очікували, що на стіні з'являться дві плями світла, що перекриваються, коли різні фотони проходять через кожну з двох щілин. Замість цього Янг виявив, що світло розсіюється по стіні по черзі інтерференційними візерунками світла і темряви. Це можна було пояснити лише тим, що світлові хвилі поширювалися з кожної щілини і взаємодіяли одна з одною, що призводило до конструктивної та руйнівної інтерференції.

Ейнштейн ніколи не був любителем випадковості, яку комплементарність і принцип невизначеності вводили в закони природи. Тому він шукав способи спростувати взаємодоповнюваність, і при цьому повернувся до класичного експерименту Янга з подвійними щілинами. Він стверджував, що, коли фотон проходить через одну з щілин, сторони щілини повинні відчувати невелику силу, оскільки вони «шелестять» фотоном, що проходить повз. Таким чином, ми могли б одночасно вимірювати світло, що діє як фотонна частинка, коли вона рухається через щілину, і як хвиля при взаємодії з іншими фотонами.

Бор не погодився. Принцип невизначеності описує, як, наприклад, ми не можемо знати імпульс фотона і його точне положення — обидві взаємодоповнюючі властивості — одночасно.

Щоб вирішити цю проблему, команда Массачусетського технологічного інституту на чолі з фізиками Вольфгангом Кеттерле і Віталієм Федосєєвим скоротила експеримент з подвійною щілиною до найпростішого можливого апарату на атомному рівні. Використовуючи лазери, вони розташували 10 000 окремих атомів, охолоджених лише на частки градуса вище абсолютного нуля. Кожен атом діяв як щілина, в тому сенсі, що фотони могли розсіювати від них в різні боки і протягом багатьох випробувань створювати малюнок світлих і темних областей, заснований на ймовірності того, що фотон буде розсіяний в певних напрямках більше, ніж в інших. Таким чином, розсіювання створює таку ж дифракційну картину, як і в експерименті з подвійною щілиною.

«Те, що ми зробили, можна розглядати як новий варіант експерименту з подвійною щілиною», — сказав Кеттерле в заяві. «Ці окремі атоми схожі на найменші щілини, які ви могли б побудувати».

Експеримент показав, що Бор безперечно мав рацію, коли наводив аргументи на користь взаємодоповнюваності, і що Ейнштейн помилився. Чим більше шелест атомів був виміряний, тим слабкішою ставала дифракційна картина, оскільки ті фотони, які вимірювалися як частинки, більше не заважали фотонам, які не були виміряні як частинки.

Експерименти також показали, що апарат — в даному випадку лазерні промені, які утримують атоми на місці — не вплинув на результати. Команда Кеттерле і Федосєєва змогла вимкнути лазери і провести вимірювання протягом мільйонної частки секунди після цього, перш ніж атоми отримали можливість коливатися або рухатися під дією гравітації. Результат завжди був один і той же — не можна було одночасно розрізнити природу частинок світла і хвиль.

Підтвердження дивацтва квантової фізики.

Цей експеримент ще більше підтверджує дивацтва квантової фізики, в якій частинки мають подвійну природу, і ми ніколи не зможемо одночасно виміряти додаткові властивості, такі як те, чи є світло хвилею або частинкою, або положення та імпульс цієї частинки. Здається, що Всесвіт діє на основі ймовірності, і емерджентні властивості, які ми бачимо, що походять з квантової сфери, є лише проявом статистики за участю дуже великої кількості частинок, усі з яких, на жаль Ейнштейна, «грають у кості».

Дослідження було опубліковано 22 липня 2025 року в журналі Physical Review Letters.