Эксперимент, о котором идет речь, - это эксперимент с двумя щелями, который впервые был проведен в 1801 году британским ученым Томасом Янгом, чтобы показать, как свет ведет себя как волна. Сегодня, с формулировкой квантовой механики, эксперимент с двойной щелью известен своей удивительно простой демонстрацией реальности, от которой ломает голову: свет существует и как частица, и как волна. Еще более странно, что эта двойственность не может наблюдаться одновременно. Видение света в виде частиц мгновенно скрывает его волнообразную природу, и наоборот.

Первоначальный эксперимент включал в себя прохождение луча света через две параллельные щели в экране и наблюдение за рисунком, который формировался на втором, удаленном экране. Можно было бы ожидать увидеть два перекрывающихся световых пятна, что означало бы, что свет существует в виде частиц, он же фотоны, подобно шарикам для игры в пейнтбол, которые летят по прямой траектории. Но вместо этого свет создает на экране чередующиеся яркие и темные полосы, образуя интерференционную картину, подобную той, что возникает, когда встречаются две волны на поверхности пруда. Это говорит о том, что свет ведет себя как волна. Еще более странно, когда кто-то пытается измерить, через какую щель проходит свет, свет внезапно ведет себя как частицы, и интерференционная картина исчезает.

Эксперимент с двумя щелями сегодня преподается на большинстве уроков физики в старших классах средней школы как простой способ проиллюстрировать фундаментальный принцип квантовой механики: все физические объекты, включая свет, являются одновременно частицами и волнами.

Почти столетие назад этот эксперимент был в центре дружеской дискуссии между физиками Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. В 1927 году Эйнштейн утверждал, что частица фотона должна проходить только через одну из двух щелей и в процессе создавать небольшое усилие на этой щели, подобно тому, как птица, пролетая мимо, шелестит листом. Он предположил, что можно было бы обнаружить такую силу, одновременно наблюдая интерференционную картину, тем самым улавливая частичную и волновую природу света одновременно. В ответ Бор применил квантово-механический принцип неопределенности и показал, что обнаружение траектории фотона приведет к размыванию интерференционной картины.

С тех пор ученые провели множество версий эксперимента с двумя щелями, и все они в разной степени подтвердили справедливость квантовой теории, сформулированной Бором. Теперь физики Массачусетского технологического института провели самую "идеализированную" версию эксперимента с двумя щелями на сегодняшний день. Их версия сводит эксперимент к его квантовым основам. Они использовали отдельные атомы в качестве щелей и использовали слабые лучи света, так что каждый атом рассеивал не более одного фотона. Подготовив атомы в различных квантовых состояниях, они смогли изменить ту информацию, которую атомы получали о траектории фотонов. Таким образом, исследователи подтвердили предсказания квантовой теории: чем больше информации было получено о пути (т.е. о природе частиц) света, тем менее заметной была интерференционная картина.

Они продемонстрировали, в чем ошибался Эйнштейн. Всякий раз, когда проходящий фотон "шуршит" по атому, интерференция волн уменьшается.

"Эйнштейн и Бор никогда бы не подумали, что это возможно - провести такой эксперимент с отдельными атомами и одиночными фотонами", - говорит Вольфганг Кеттерле, профессор физики Джона Д. Макартура и руководитель команды Массачусетского технологического института. "То, что мы сделали, - это идеализированный эксперимент Геданкена".

Их результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Соавторами Кеттерле в Массачусетском технологическом институте являются первый автор Виталий Федосеев, Ханьчжэнь Лин, Ю-Кун Лу, Ю Ген Ли и Цзяхао Лю, которые все связаны с физическим факультетом Массачусетского технологического института, исследовательской лабораторией электроники и Гарвардским центром ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института.

Холодное заключение

Группа Кеттерле из Массачусетского технологического института экспериментирует с атомами и молекулами, которые они переохлаждают до температур чуть выше абсолютного нуля и выстраивают в конфигурации, ограничиваемые лазерным излучением. Внутри этих ультрахолодных, тщательно настроенных облаков могут возникать экзотические явления, которые происходят только на квантовом, одноатомном уровне.

В недавнем эксперименте команда исследовала, казалось бы, не связанный с этим вопрос, изучая, как рассеяние света может выявить свойства материалов, построенных из ультрахолодных атомов.

"Мы поняли, что можем количественно оценить степень, в которой этот процесс рассеяния подобен частице или волне, и мы быстро поняли, что можем применить этот новый метод для реализации этого знаменитого эксперимента в очень идеализированном виде", - говорит Федосеев.

В своем новом исследовании команда работала с более чем 10 000 атомами, которые они охладили до температуры микрокельвина. Они использовали массив лазерных лучей, чтобы расположить замороженные атомы в равномерно распределенную конфигурацию кристаллической решетки. При таком расположении каждый атом находится достаточно далеко от любого другого атома, чтобы каждый из них можно было эффективно рассматривать как отдельный, изолированный и идентичный атом. И 10 000 таких атомов могут генерировать сигнал, который легче обнаружить, по сравнению с одним или двумя атомами.

Группа рассудила, что при таком расположении они могли бы направить слабый луч света сквозь атомы и наблюдать, как один фотон рассеивается от двух соседних атомов в виде волны или частицы. Это было бы похоже на то, как в первоначальном эксперименте с двумя щелями свет проходит через две щели.

"То, что мы сделали, можно рассматривать как новый вариант эксперимента с двумя щелями", - говорит Кеттерле. "Эти отдельные атомы подобны самым маленьким щелям, которые вы только могли бы соорудить".

Настраивающий пушок

Работа на уровне одиночных фотонов требовала многократного повторения эксперимента и использования сверхчувствительного детектора для регистрации структуры света, рассеянного атомами. По интенсивности обнаруженного света исследователи могли непосредственно определить, ведет ли себя свет как частица или волна.

Их особенно заинтересовала ситуация, когда половина фотонов, которые они посылали, вела себя как волны, а половина - как частицы. Они достигли этого, используя метод настройки вероятности того, что фотон будет выглядеть как волна, а не как частица, путем настройки "размытости" атома, или определенности его местоположения. В их эксперименте каждый из 10 000 атомов удерживается на месте с помощью лазерного излучения, которое можно регулировать, чтобы усилить или ослабить воздействие света. Чем более свободно удерживается атом, тем более размытым или "пространственно протяженным" он кажется. Более расплывчатый атом легче шуршит и записывает путь фотона. Следовательно, настраивая нечеткость атома, исследователи могут увеличить вероятность того, что фотон будет вести себя подобно частице. Их наблюдения полностью соответствовали теоретическому описанию.

Отскакивает в сторону

В своем эксперименте группа проверила идею Эйнштейна о том, как определить траекторию фотона. Концептуально, если бы каждая щель была вырезана в чрезвычайно тонком листе бумаги, подвешенном в воздухе на пружине, фотон, проходящий через одну щель, должен был бы встряхнуть соответствующую пружину на определенную степень, что было бы сигналом о частичной природе фотона. В предыдущих реализациях эксперимента с двойной щелью физики включали такой пружиноподобный компонент, и пружина сыграла важную роль в описании двойственной природы фотона.

Но Кеттерле и его коллеги смогли провести эксперимент без пресловутых пружин. Облако атомов, созданное командой, первоначально удерживается на месте с помощью лазерного излучения, аналогично концепции Эйнштейна о щели, подвешенной на пружине. Исследователи рассудили, что если бы они избавились от своей "пружины" и наблюдали точно такое же явление, то это показало бы, что пружина никак не влияет на корпускулярно-волновой дуализм фотона.

Это тоже было то, что они обнаружили. После нескольких запусков они выключили похожий на пружину лазер, удерживающий атомы на месте, а затем быстро провели измерение за миллионную долю секунды, прежде чем атомы стали более расплывчатыми и в конечном итоге упали вниз из-за силы тяжести. В течение этого крошечного промежутка времени атомы фактически плавали в свободном пространстве. В этом сценарии без пружин команда наблюдала то же самое явление: волновую и корпускулярную природу фотона невозможно было наблюдать одновременно.

"Во многих описаниях пружины играют главную роль. Но мы показываем, что нет, пружины здесь не имеют значения; важна только размытость атомов", - говорит Федосеев. "Следовательно, нужно использовать более глубокое описание, которое использует квантовые корреляции между фотонами и атомами".

Исследователи отмечают, что 2025 год был объявлен Организацией Объединенных Наций Международным годом квантовой науки и техники в ознаменование создания квантовой механики 100 лет назад. Дискуссия между Бором и Эйнштейном об эксперименте с двумя щелями состоялась только два года спустя.

"Это замечательное совпадение, что мы смогли помочь прояснить это историческое противоречие в тот же год, когда мы празднуем день квантовой физики", - говорит соавтор Ли.

Эта работа была частично поддержана Национальным научным фондом, Министерством обороны США и Фондом Гордона и Бетти Мур.