Scienty

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.

Фото: img.freepik.com

Согласно квантовой механике, объекты способны проявлять свойства как частиц, так и волн. Однако одновременное наблюдение обеих этих состояний невозможно. Это ограничение получило название принципа дополнительности. В 1927 году Альберт Эйнштейн оспорил позицию Нильса Бора и предложил метод, позволяющий преодолеть это ограничение.

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

По мнению Эйнштейна, определение траектории отскока позволило бы установить точный путь частицы, что, в свою очередь, привело бы к нарушению принципа дополнительности. Одновременно на экране должна была бы сохраниться интерференционная картина, демонстрирующая волновые свойства. Таким образом, ученый стремился объединить знание о траектории частицы и ее волновые характеристики.

Бор выступил с возражением против своего оппонента. Он продемонстрировал, что при достаточно точной оценке отскока щели для определения траектории, положение самой щели становится неопределённым в соответствии с принципами квантовой механики. Это, неминуемо, приведёт к размытию волнового узора на экране. В течение длительного времени практическая проверка этого разногласия оказывалась невозможной. Для наблюдения за воздействием даже одного фотона, не имеющего массы, «щель» должна обладать чрезвычайно низкой массой. Любое зеркало, имеющее макроскопические размеры, слишком массивно для проявления столь незначительных эффектов.

Теперь исследователи подошли к решению этой задачи, используя лазерные технологии. Авторы работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, в качестве замены механической щели использовали отдельный атом рубидия-87.

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

В ходе эксперимента фотон взаимодействовал с атомом, приводя к его рассеянию. При отталкивании фотона от «щели» атом получал импульс в противоположном направлении. Исследователи изменяли параметры лазерной ловушки, контролируя степень, в которой свет фиксирует рубидий. Величина ловушки изменялась от 0,6 почти до 10,5 милликельвина.

По оказалосьму, поведение системы целиком определялось степенью ограничения движения атома. При слабой фиксации атом был свободен в перемещениях и легко отклонялся под воздействием фотона. Это давало возможность измерительным приборам определить траекторию движения частицы света. Однако при этом волновая картина на детекторах исчезала, поскольку взаимодействие между движением атома и фотона приводило к разрушению интерференции.

При сильной фиксации атом практически не перемещался. Его неопределенность в импульсе возрастала, что делало невозможным определение траектории фотона. Вместе с тем, на экране отчетливо проявлялись полосы интерференции. Таким образом, свет вновь демонстрировал волновые свойства. С помощью промежуточных настроек ловушки удалось наблюдать плавный переход между этими двумя состояниями, будто бы переключая свет из частицы в волну.

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

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