Учёные Массачусетского технологического института (MIT) провели одну из самых чистых и наглядных демонстраций знаменитого опыта с двумя щелями, на этот раз заменив щели на отдельные атомы. Им удалось проследить, как фотоны рассеиваются на атомах, и по едва заметным изменениям в их свойствах определить поведение частиц. Результаты полностью совпали с предсказаниями квантовой теории: когда путь фотона не отслеживался, возникала интерференционная картина, а при наблюдении оставались только два ярких пятна.
Впервые опыт с двумя щелями провёл Томас Юнг в XIX веке. Его простая схема – пропуск света через две щели и наблюдение результата – до сих пор остаётся ключевым тестом для квантовой физики. Если свет проходит незаметно, возникает рисунок из светлых и тёмных полос, как рябь на воде. Но стоит попытаться зафиксировать, через какую щель прошёл фотон, как полосы исчезают, и остаются лишь два пятна. От того, наблюдаем мы или нет, свет ведёт себя как волна или как частица, и сама реальность словно меняется под взглядом.
Эта странность стала предметом жарких споров между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. Эйнштейн считал, что вмешательство наблюдателя лишь вносит шум, и предлагал ставить щели на пружины, чтобы по их движению можно было определить путь фотона без разрушения картины. Бор же настаивал, что сама попытка точного измерения делает невозможным проявление интерференции – это и есть его принцип дополнительности: квантовые объекты могут проявлять волновые или корпускулярные свойства, но никогда оба сразу. Все эксперименты XX века подтверждали правоту Бора, но из-за технических ограничений оставались сомнения.
В своей работе группа Вольфганга Кеттерле в MIT реализовала мысленный эксперимент Эйнштейна напрямую. Учёные охладили более десяти тысяч атомов рубидия почти до абсолютного нуля и удержали их в лазерной решётке, где каждый атом стал точкой рассеяния фотонов. Сверхслабый световой пучок позволял фиксировать взаимодействия единичных фотонов с атомами. Сложность заключалась в том, что информации за один цикл получалось крайне мало, поэтому эксперимент пришлось повторять тысячи раз.
Ключевым моментом был контроль за тем, сколько сведений об “истории” фотона можно извлечь. Если атомы находились в жёстких ловушках, их положение было чётко определено, и они почти не несли информации о пути фотона – в таких условиях появлялись интерференционные полосы. Если же атомы удерживались слабее, они могли немного смещаться, и в этом случае само их движение уже оставляло след взаимодействия, разрушая полосы. Так вновь подтвердилась правота Бора.
Отличие эксперимента MIT от предыдущих заключалось в том, что учёные повторили измерения после снятия ловушек, когда атомы оставались свободными. Это исключило возможность, что сами удерживающие поля каким-то образом влияли на результат.
“Это очень красивый эксперимент и показатель того, насколько вырос наш контроль над атомно-световыми системами. Думаю, это превзошло даже то, что мог вообразить Эйнштейн”, – отметил физик Томас Хёрд из Бирмингемского университета, не участвовавший в работе.
Теперь команда планирует изучить, что произойдёт, если в каждом узле решётки будет по два атома. Их взаимодействие может открыть новые особенности квантового поведения. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.