Ученые из Массачусетского технологического института осуществили самую точную версию классического эксперимента с двумя щелями, который демонстрирует одну из самых загадочных особенностей квантовой механики. Вместо обычных щелей в экране исследователи использовали отдельные атомы рубидия, что позволило физикам получить беспрецедентно чистые результаты. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Физики поставили мысленный эксперимент Эйнштейна и показали, что он ошибся
Физики Массачусетского технологического института провели самую чистую проверку знаменитого эксперимента с двумя щелями, используя отдельные атомы вместо обычных щелей. Их работа подтвердила правоту Нильса Бора в споре с Эйнштейном о природе квантовой реальности.
Схема эксперимента: два одиночных атома, плавающие в вакуумной камере, освещаются лазерным лучом и играют роль двух щелей. Интерференция рассеянного света регистрируется высокочувствительной камерой, изображенной на экране. Wolfgang Ketterle, Vitaly Fedoseev, Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee and Jiahao Lyu
Эксперимент с двумя щелями, впервые проведенный Томасом Юнгом в 1801 году, показывает волновую природу света. Когда свет проходит через две щели, на экране появляется интерференционная картина из светлых и темных полос, что указывает на волновые свойства. Но спустя сто с лишним лет этот эксперимент вызвал яркий спор между Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном.
Согласно интерпретации Нильса Бора при рассеянии света на двух щелях результат будет отличаться в зависимости от того, знаем мы через какую щель пролетел фотон или нет. Если мы не знаем путь фотона, то на экране мы увидим интерференционные полосы. Но если фотон каким-то образом зарегистрирован при пролете через одну щелей — интерференция исчезнет.
Классический двухщелевой эксперимент. Как возникает интерференция.
Эйнштейн с Бором категорически не согласился и предложил мысленный эксперимент. Пусть щели не жестко зафиксированы, а настолько чувствительны, что реагируют на пролет фотона. (Эйнштейн говорил про щели «на пружинках», но физически таких пружинок не существует, как что это была своего рода метафора). Если щель при пролете фотона чуть вибрирует, мы узнаем и через какую щель пролетел фотон (по ничтожно малой, но регистрируемой вибрации щели) и интерференция сохраниться. Бор возражал, что любое измерение неизбежно уничтожит интерференцию.
Поставить эксперимент Эйнштейна очень трудно. Щель должна реагировать на исчезающе малое воздействие фотона, причем реакцию щели мы должны каким-то образом, если не увидеть, то доказать. И все-таки поставить этот эксперимент удалось, хотя и через сто лет после того, как Эйнштейн его описал.
Эксперимент с атомами рубидия
Команда физиков из MIT воплотила идею Эйнштейна в реальность. Они охладили более 10 000 атомов рубидия почти до абсолютного нуля и поместили эти атомы в узлы решетки. Каждый атом в решетке может рассеивать свет. Атомы даже при температуре очень близкой к абсолютному нулю немного колеблются, но их можно зафиксировать до почти полной неподвижности с помощью лазерных ловушек.
Рассеяние света двумя атомными волновыми пакетами. Свет имеет когерентную часть, которая приводит к появлению интерференционных полос, и некогерентная часть, приводящая к контрасту. Некогерентная часть возникает из-за частичной запутанности между атомами и фотонами.
После того как атомы были зафиксированы, физики начали их облучать. Поскольку атомы зафиксированы жестко, пролетающие фотоны их поколебать не могут, и мы не знаем, как летит фотон. В полном согласии с предсказанием Бора на экране мы видим интерференционную картину.
Тогда ученые и поставили мысленный эксперимент Эйнштейна. Они ослабили ловушки, атомы рубидия немного «поплыли» и стали чувствительны к воздействию фотонов. То есть, появилась принципиальная возможность узнать на каком атоме рассеивался фотон и вычислить его путь. По предсказанию Эйнштейна интерференция должна сохраниться, хотя траектория и стала вычислимой. Но как только ловушки ослабили хватку — интерференция исчезла. Опять прав оказался Бор. Да, наблюдение (или даже его теоретическая возможность) меняет картину квантового мира.
Эйнштейн и этом случае оказался неправ, как и в мысленном эксперименте с квантовой запутанностью, которую он отвергал, а она оказалась реальностью. Но Эйнштейн даже ошибался удивительно точно. Его контраргументы и мысленные эксперименты стали настоящим толчком для развития квантовой науки.