Физики из Массачусетского технологического института (MIT) провели обновленную версию классического эксперимента с двойной щелью, которая окончательно подтвердила, что свет нельзя наблюдать одновременно как волну и как частицу. Результаты, которые передает Space, демонстрируют ограничения квантового наблюдения и опровергают попытки Альберта Эйнштейна доказать обратное.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые под руководством нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле и физика Виталия Федосеева, использовали вместо привычных двух щелей 10 000 отдельных атомов, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю. Эти атомы стали своеобразными миниатюрными щелями, на которых рассеивались фотоны света, формируя интерференционную картину.

[see_also ids="636425"]

Исследование подтвердило: чем точнее измеряется траектория фотона, то есть его частичное поведение, тем менее выраженным становится волновой эффект. Другими словами, свет можно увидеть либо как волну, либо как частицу, но не оба явления одновременно. Это полностью согласуется с представлением Нильса Бора о квантовой комплементарности и противоречит гипотезе Эйнштейна, который предполагал возможность одновременного наблюдения обоих свойств.

Чтобы избежать влияния аппаратных факторов, команда MIT выключала лазеры, удерживающие атомы, и проводила измерения за миллионные доли секунды - до того, как те успевали сдвинуться под действием силы тяжести. В результате фиксировались только квантовые эффекты, не обусловленные инструментальными погрешностями.

"То, что мы сделали, можно рассматривать как новый вариант эксперимента с двойной щелью. Эти отдельные атомы похожи на самые маленькие щели, которые только можно построить", - говорит Кеттерле в заявлении.

[see_also ids="641081"]

По словам Федосеева, ключевую роль играет так называемая квантовая размытость. Чем менее жестко удерживаются атомы, тем больше они "чувствуют" рассеивание фотонов, то есть проявляют частичную природу света.

Использование атомов вместо щелей позволило радикально снизить уровень шумов и неопределенностей, которые десятилетиями подвергали сомнению экспериментальные подтверждения принципа комплементарности. Теперь доказано, что даже при идеальных условиях фотон не может вести себя как волна и частица одновременно. Все попытки "разоблачить" это явление превращают волновую модель в частичную, и наоборот.

"Эйнштейн и Бор никогда бы не подумали, что это возможно, провести такой эксперимент с отдельными атомами и отдельными фотонами", - отметил Кеттерле.

Физики давно доказали, что трансмутация элементов реальна, но это до сих пор не имеет практической ценности. Первые эксперименты по превращению ртути в золото провели еще в 1941 году в Гарварде, но полученные изотопы быстро распадались. В 1980-х годах нобелевский лауреат Гленн Сиборг создал атомы золота из висмута в результате релятивистских столкновений, но в мизерных объемах. Современные исследования в CERN, в частности на Большом адронном коллайдере, подтверждают то же самое: получить золото возможно, но объемы слишком малы, а стоимость процесса - астрономическая.