Эксперимент подтвердил предсказания Эйнштейна и Нильса Бора

Новости МирТесен

Впервые ученые осуществили в реальности знаменитый мысленный эксперимент с «подвижной щелью», который столетие назад обсуждали Бор и Эйнштейн. Проведенный опыт с отдельным атомом продемонстрировал, что попытка определить траекторию частицы неизбежно приводит к разрушению ее волновой природы.

Согласно квантовой механике, объекты способны проявлять свойства как частиц, так и волн. Однако одновременное наблюдение обеих этих характеристик невозможно. Это ограничение известно как принцип дополнительности. В 1927 году Альберт Эйнштейн оспорил позицию Нильса Бора и предложил метод, позволяющий обойти данное ограничение.

На известной Сольвеевской конференции Эйнштейн предложил мысленный эксперимент, связанный с двумя щелями, через которые проходит частица света — фотон. Согласно его идее, если одна из щелей будет подвижной, она должна отклониться под воздействием фотона, подобно бильярдному шару.

По мнению Эйнштейна, определение отклонения позволило бы установить точную траекторию частицы, что привело бы к нарушению принципа дополнительности. Одновременно на экране проявилась бы интерференционная картина, демонстрирующая волновые свойства. Таким образом, ученый стремился одновременно определить путь частицы и сохранить её волновые характеристики.

Бор выступил с возражением на позицию оппонента. Он продемонстрировал, что при достаточно точной оценке отскока щели для определения траектории, положение самой щели становится неопределенным, в соответствии с принципами квантовой механики. Это неизбежно приведет к размытию волнового узора на экране. В течение длительного времени практически не представлялось возможным проверить этот спор на практике. Для наблюдения за воздействием даже одного фотона, масса «щели» должна быть крайне мала. Любое зеркало, обладающее заметными макроскопическими размерами, слишком массивно для регистрации подобных незначительных эффектов.

Теперь команда исследователей намерена решить эту задачу, используя лазерные технологии. В своей работе авторы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, в качестве альтернативы механической щели был использован отдельный атом рубидия-87.

Используя сфокусированный лазерный луч, создающий оптический пинцет, физики смогли захватить атом в ловушку. Далее рубидий был охлажден почти до абсолютного нуля. При таких условиях тепловое движение практически останавливается, и атом переходит в основное состояние. Его импульс становится сравнимым с импульсом отдельного фотона, что делает его идеальным и чрезвычайно чувствительным детектором.

В ходе эксперимента фотон сталкивался с атомом и вызывал его рассеяние. Когда фотон отражался от «щели», атом получал импульс в противоположную сторону. Исследователи изменяли параметры лазерной ловушки, контролируя степень, с которой свет фиксирует рубидий. Величина ловушки изменялась от 0,6 почти до 10,5 милликельвина.

Установлено, что на характеристики системы оказывает определяющее влияние степень закрепления атома. При слабой фиксации атом обладал свободой перемещения и без труда отклонялся под воздействием фотона. Это давало возможность измерительным приборам определить траекторию движения частицы света. Однако в данной ситуации волновая картина на детекторах исчезала, поскольку взаимодействие между движением атома и фотона приводило к разрушению интерференции.

При строгой фиксации атом практически не перемещался. Его неопределенность импульса увеличивалась, и предсказать траекторию фотона было невозможно. Вместо этого на экране отчетливо проявлялись полосы интерференции. Таким образом, свет вновь демонстрировал волновые свойства. Варьируя параметры ловушки, можно было наблюдать постепенный переход между этими двумя состояниями, словно переключая свет из частицы в волну.

Практическое подтверждение мысленного эксперимента Эйнштейна положило конец многолетней дискуссии: полученные результаты полностью соответствовали теоретическим прогнозам Бора. Как только атом‑«щель» содержал сведения о траектории, квантовая интерференция прекращалась, а при потере информации о пути полосы вновь появлялись.

Даже самый совершенный измерительный прибор не способен обойти законы природы. Извлечение данных о траектории частицы неизбежно приводит к потере ею волновых характеристик.