Фундаментален експеримент в квантовата физика хвърля светлина върху вековен научен дебат и за пореден път потвърждава основни принципи на природата
Така нареченият експеримент с двоен процеп, една от най-емблематичните демонстрации на квантовата физика, е пресъздаден от физици, от Масачузетския технологичен институт (MIT). Техните открития потвърждават с изключителна прецизност неуловимата двойствена природа на светлината, като същевременно потвърждават погрешната хипотеза на Алберт Айнщайн за този конкретен квантов сценарий. Този експеримент, проведен първоначално през 1801 г. от Томас Йънг, за да демонстрира вълнообразното поведение на светлината, днес е ключов елемент в разбирането на една озадачаваща реалност. Светлината съществува едновременно като частица и като вълна. Най-необичайното е, че тази двойственост не може да се наблюдава едновременно.
Когато се опитваме да измерим светлината като частици, нейната вълнова природа изчезва и обратно. Този принцип, фундаментален за квантовата механика, често се преподава в класните стаи, за да се илюстрира, че всички физически обекти, включително светлината, са едновременно частици и вълни.
Квантовият спор е разрешен
Преди почти век експериментът с двойния процеп е бил обект на приятелски спор между физиците Алберт Айнщайн и Нилс Бор. През 1927 г. Айнщайн постулира, че фотонна частица трябва да преминава през един процеп, упражнявайки лека сила върху нея, подобно на птица, която се докосва до листо. Той предполага, че тази сила може да бъде открита, докато се наблюдава интерферентната картина, като по този начин едновременно се улавя двойствената природа на фотона.
В отговор Бор прилага принципа на неопределеността на квантовата механика, твърдейки, че откриването на траекторията на фотона би елиминирало интерферентната картина. През годините множество версии на експеримента са потвърждавали теорията на Бор в по-голяма или по-малка степен. Сега екип от физици от MIT е провел най-„идеализираната“ версия до момента, свеждайки експеримента до неговите квантови същности, според тях. За да направят това, те са използвали отделни атоми като процепи и лъчи светлина, толкова слаби, че всеки атом е разсейвал най-много един фотон.
Чрез манипулиране на атоми в различни квантови състояния, изследователите успяха да променят информацията, която атомите получиха за траекторията на фотоните. По този начин те потвърдиха предсказанията на квантовата теория, че колкото повече информация се получи за траекторията (т.е. частицната природа) на светлината, толкова по-малко видима става интерферентната картина.
MIT обединява най-блестящите умове и най-удивителните пробиви на планетата и винаги са разчитали на Айнщайн за провеждането на своите изследвания. Изследването, публикувано в списание Physical Review Letters, демонстрира, че Айнщайн е грешал по този въпрос. Всеки път, когато атом е „докоснат“ от преминаващ фотон, вълновата интерференция намалява значително. Волфганг Кетерле, ръководител на екипа на MIT, коментира, че нито Айнщайн, нито Бор биха си представили възможността за провеждане на експеримент с отделни атоми и фотони, наричайки го „идеализиран мисловен експеримент“, приложен на практика.
Вътрешността на експеримента
Групата на Кетерле в MIT работи чрез охлаждане на атоми и молекули до температури в микрокелвините, малко над абсолютната нула. И ги подрежда в ограничаващи конфигурации с лазерна светлина. В рамките на тези ултрастудени, внимателно настроени облаци възникват екзотични явления, които се проявяват само в квантов мащаб, на нивото на отделния атом.
За това изследване екипът използва повече от 10 000 атома, които охлажда до гореспоменатите температури. Използвайки масив от лазерни лъчи, те подреждат замразените атоми в кристалоподобна решетъчна конфигурация, с равномерно разстояние. В тази подредба всеки атом е достатъчно далеч от останалите, за да се счита за изолирана, идентична единица, а масивът от 10 000 атома позволява по-лесно откриване на сигнала, отколкото само с един или два.
Екипът разсъждава, че с тази настройка могат да пропускат слаб лъч светлина през атомите и да наблюдават как един фотон се разсейва от два съседни атома, или като вълна, или като частица. Това би възпроизвело механиката на оригиналния експеримент с двоен процеп, където светлината преминава през два отвора. Работата на ниво единичен фотон изискваше многократно повтаряне на експеримента и използване на ултрачувствителен детектор за записване на светлинния модел, разсеян от атомите. От интензитета на засечената светлина изследователите можеха директно да заключат дали светлината се държи като частица или като вълна. Прецизността и контролът в този експеримент представляват значителен напредък в експерименталната физика.
Източник: La Razón
