Od ponad 100 lat fizyka kwantowa nauczyła nas, że światło jest zarówno falą, jak i cząsteczką. Teraz naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) przeprowadzili odważny eksperyment przy użyciu pojedynczych atomów, który potwierdza, że chociaż światło może zachowywać się jako cząstka lub foton, nie można go zachować jako jednocześnie jednocześnie.
Debata na temat natury światło cofają się wieki, do XVII wieku i czasu Isaac Newton i Christiaan Huygens. Niektórzy, jak Newton, wierzyli, że światło musi być wykonane z cząstek, aby wyjaśnić, dlaczego obrazy lustrzane są ostre, a nasza niezdolność do widzenia zakrętów. A jednak, Huygens i inni, światło wykazuje zachowanie podobne do fal, takie jak dyfrakcja i załamanie.
W 1801 r. Fizyk Thomas Young opracował słynnego Eksperyment podwójnegogdzie świecił spójnym źródłem światła przez dwie wąskie szczeliny na ścianę. Gdyby światło było cząsteczką, spodziewalibyśmy się, że na ścianie pojawią się dwa nakładające się plamy światła, gdy różne fotony przechodzą przez każde z dwóch szczelin. Zamiast tego Young odkrył, że światło rozłożyło się na ścianie w naprzemiennych wzorach światła i ciemności. Można to wyjaśnić tylko wtedy, gdy fale lekkie rozprzestrzeniają się z każdej szczeliny i oddziaływały ze sobą, powodując konstruktywną i niszczycielską zakłócenia.
Sto lat później Max Planck wykazał, że ciepło i światło są emitowane w małych pakietach zwanych kwantami i Albert Einstein pokazał, że ilość światła to cząstka zwana a foton. Co więcej, Fizyka kwantowa wykazali, że fotony wykazują również zachowanie podobne do fal. Zarówno Newton, jak i Huygens byli poprawni: światło jest zarówno falą, jak i cząsteczką. Nazywamy tę dziwną dualność fenomenu-fali.
Jednak Zasada niepewności stwierdza, że nigdy nie możemy obserwować fotonu działającego zarówno jako fala, jak i cząstka jednocześnie. Ojciec fizyki kwantowej, Niels Bohr, nazwał tę „komplementarnością”, w tym sensie, że komplementarne właściwości układu kwantowego, takie jak zachowanie jak fala i cząstka, nigdy nie mogą być jednocześnie mierzone.
Einstein nigdy nie był miłośnikiem losowości, że komplementarność i zasada niepewności wprowadzona do praw natury. Szukał więc sposobów na obalenie komplementarności, a tym samym wrócił do klasycznego podwójnego eksperymentu Younga. Argumentował, że gdy foton przechodzi przez jedną z szczelin, boki szczeliny powinny odczuwać niewielką siłę, gdy są „szelestne” przez przechodzący foton. W ten sposób moglibyśmy jednocześnie zmierzyć światło działające jako cząstka fotonu, gdy porusza się przez szczelinę i jako falę podczas interakcji z innymi fotonami.
Bohr nie zgodził się. Zasada niepewności opisuje, w jaki sposób nie możemy znać pędu fotonu i jego dokładnej pozycji – obu właściwości uzupełniających – jednocześnie. Dlatego, powiedział Bohr, pomiar „szelestu” przejeżdżającego fotonu spowodowałoby jedynie szorowanie zachowania podobnego do fal, a wzór zakłóceń wytwarzany przez eksperyment podwójnie rozczarowany zostałby zastąpiony zaledwie dwoma jasnymi plamami.
Eksperymenty na przestrzeni lat wykazały, że Bohr jest prawidłowy, ale zawsze istniała mała, dręcząca wątpliwość, że nieporęczny aparat może wprowadzić efekty, które maska postrzegają światło jako falę i cząstkę jednocześnie.
Aby rozwiązać ten problem, zespół MIT, prowadzony przez fizyków Wolfgang Ketterle i Vitale Fedoseev, sprowadził eksperyment podwójnie rozliczonego do najbardziej podstawowego aparatu, w skali atomowej. Korzystając z laserów, ustawili 10 000 pojedynczych atomów schłodzonych do ułamków powyższego stopnia Absolute zero. Każdy atom działał jak szczelina w tym sensie, że fotony mogą rozproszyć je w różnych kierunkach, a w wielu próbach wytwarzają wzór światła i ciemnych obszarów, w oparciu o prawdopodobieństwo, że foton będzie rozproszony w niektórych kierunkach bardziej niż inne. W ten sposób rozpraszanie wytwarza ten sam wzór dyfrakcji, co eksperyment podwójny.
„To, co zrobiliśmy oświadczenie. „Te pojedyncze atomy są jak najmniejsze szczeliny, które możesz zbudować”.
Eksperyment wykazał, że Bohr był zdecydowanie poprawny, gdy argumentował za komplementarnością, i że Einstein źle to pomylił. Im bardziej zmierzone, które zostały zmierzone, tym słabszy wzór dyfrakcji stał się, ponieważ fotony, które zostały zmierzone jako cząstki nie zakłócały już fotonów, które nie zostały zmierzone jako cząstki.
Eksperymenty wykazały również, że aparat – w tym przypadku wiązki laserowe trzymające atomy na miejscu – nie wpłynęły na wyniki. Zespół Ketterle i Fedoseeva byli w stanie wyłączyć lasery i dokonać pomiaru w ciągu miliona od sekundy, zanim atomy miał szansę na poruszanie się lub poruszanie pod grawitacją. Rezultat był zawsze taki sam – cząsteczki i fali światła nie można było jednocześnie dostrzec.
„Liczy się tylko rozmycie atomów” – powiedział Fedoseev. Ta rozmycie odnosi się do kwantowej puszystości, która otacza dokładną pozycję atomu, zgodnie z zasadą niepewności. Ta rozmycie może być dostrojona przez to, jak mocno lasery trzymają atomy w pozycji, a im bardziej rozmyte i luźno trzymane są atomy, tym bardziej czują, że fotony szelega, ujawniając światło jako cząstkę.
„Einstein i Bohr nigdy nie sądziliby, że jest to możliwe, przeprowadzić taki eksperyment z pojedynczymi atomami i pojedynczymi fotonami” – powiedział Ketterle.
Eksperyment dodatkowo wyznacza dziwność fizyki kwantowej, w której cząstki mają podwójną naturę, i nigdy nie możemy jednocześnie zmierzyć właściwości komplementarne, takie jak to, czy światło jest falą, czy cząsteczką lub pozycją i pędem tej cząstki. Wszechświat wydaje się działać na podstawie prawdopodobieństwa, a pojawiające się właściwości, które widzimy pochodzące z sferze kwantowej, są jedynie przejawem statystyk z udziałem bardzo wielu cząstek, z których wszystkie, dla rozczarowania Einsteina „Play Dice”.
Badania zostały opublikowane 22 lipca w czasopiśmie Fizyczne listy recenzji.
