Einstein (nieznacznie) się pomylił: jakie wyniki przyniosła nowa wersja słynnego eksperymentu z fizyki kwantowej?



Od ponad wieku fizyka kwantowa uczy nas, że światło jest zarówno cząstką, jak i falą. Teraz zespół naukowców z MIT przeprowadził śmiałe eksperymenty z pojedynczymi atomami, które potwierdzają, że światło może wykazywać zarówno właściwości falowe, jak i cząsteczkowe, ale w żadnym konkretnym pomiarze nie może wykazywać obu tych właściwości jednocześnie. W 1801 roku brytyjski fizyk i lekarz Thomas Young wykazał falową naturę światła za pomocą eksperymentu z podwójną szczeliną, w którym zamiast oczekiwanych dwóch punktów świetlnych na ścianie powstał wzór interferencyjny.

Około sto lat później Max Planck wpadł na pomysł, że energia nie jest przekazywana w sposób ciągły, ale w małych dawkach, w kwantach, a Albert Einstein sformułował teorię, że światło zachowuje się jak strumień cząstek zwanych fotonami. Mechanika kwantowa wykazała jednak, że fotony mają również właściwości falowe: te dwie formy nie wykluczają się wzajemnie, ale nie można ich zmierzyć jednocześnie.

Einstein nigdy nie uważał, że świat kwantowy jest determinowany przez przypadek, jak twierdzi zasada komplementarności. Podejrzewał, że foton przechodząc przez szczelinę może pozostawić po sobie niewielki ślad, rodzaj „syczenia”, mierzalny ślad.

Dzięki temu można by określić, przez którą szczelinę przeszedł foton, a jednocześnie zachować informacje o jego zachowaniu falowym. Duński fizyk Niels Bohr zaprzeczył jednak tej tezie, ponieważ każdy pomiar tego rodzaju nieuchronnie zniszczyłby wzór interferencji i pozostałaby tylko natura cząsteczkowa zamiast natury falowej. Zespół pod kierownictwem Wolfganga Ketterla i Witalija Fedosiewa zrealizował idealną wersję eksperymentu Younga na poziomie atomowym. Naukowcy wykorzystali ponad 10 000 atomów schłodzonych do temperatury bliskiej zeru absolutnemu i za pomocą laserów ułożyli je w regularną siatkę, tak aby każdy atom działał jak oddzielna szczelina, w której fotony były rozpraszane kwantowo i tworzyły wzory interferencyjne.

Naukowcy stwierdzili, że im bardziej próbowali śledzić drogę fotonu, czyli im silniej atom był faktycznie zakłócany i mierzony jako cząstka, tym bardziej wzór interferencji ulegał rozmyciu, aż w końcu całkowicie zanikał. Kolejnym ważnym aspektem było to, że sam eksperyment nie był pod wpływem sił zewnętrznych. W celu dokonania pomiaru naukowcy wyłączyli lasery, które wcześniej utrzymywały atomy w miejscu. Dzięki temu znalazły się one na chwilę w wolnej przestrzeni, a ponieważ grawitacja nie miała na nie jeszcze znaczącego wpływu, nie występowały żadne czynniki zewnętrzne.

Nowy eksperyment przeprowadzony przez naukowców z MIT potwierdza jedną z podstawowych zasad fizyki kwantowej sformułowaną przez Nielsa Bohra: światło może być zarówno falą, jak i cząstką, ale tych dwóch form nie można obserwować jednocześnie. Einstein miał nadzieję obejść tę granicę, ale tym razem wyjątkowo się pomylił.

---

Amon
www.strefa44.pl
www.strefa44.com.pl