Квантни експеримент коначно решава вековни спор између Ајнштајна и Бора

Мисаони експеримент који је био у средишту свађе између чувених физичара Алберта Ајнштајна и Нилса Бора 1927. коначно је остварен. Његови налази разјашњавају једну од кључних мистерија квантне физике: да ли је светлост заиста талас, честица или сложена мешавина њих двоје?

Аргумент Ајнштајна и Бора тиче се експеримента са двоструким прорезом, који датира још стотину година уназад од физичара Томаса Јанга 1801. Јанг је користио овај тест да тврди да је светлост талас, док је Ајнштајн поставио да је светлост заправо честица. У међувремену, Боров рад у квантној физици храбро је предложио да то може, у извесном смислу, бити и једно и друго. Ајнштајну се није допала ова контроверзна идеја и замислио је модификовану верзију Јанговог експеримента да јој се супротстави.

Сада, Цхао-Ианг Лу са Универзитета науке и технологије у Кини и његове колеге извели су експеримент који реализује Ајнштајнову идеју, користећи најбоље алате модерне експерименталне физике како би открили да су квантни објекти толико необични у својој дуалној природи таласа и честица као што су физичари из 1920-их сумњали. „Видјети квантну механику ‘у акцији’ на овом фундаменталном нивоу једноставно одузима дах,” каже Лу.

У класичном експерименту са двоструким прорезима, истраживачи сијају светло на пар уских, паралелних, хоризонтално оријентисаних прореза постављених испред екрана. Да је светлост честица, екран би требало да приказује мрљу светлости иза сваког прореза, али Иоунг и небројени истраживачи који су их пратили уместо тога видели су „интерферентни образац“ наизменичних тамних и светлих пруга. Ово је указивало на то да је светлост више као талас који се разлива кроз прорезе, при чему екран хвата своје таласе који се сударају један са другим. Занимљиво је да образац интерференције постоји чак и када се интензитет светлости смањи на једну честицу светлости, или фотон. Да ли то значи да фотон налик савршеној честици на неки начин интерферира сам са собом као да је такође талас?

Бор се залагао за појам „комплементарности“ где је немогуће видети честичност фотона када показује таласасто понашање и обрнуто. У њиховим расправама о томе да ли ово заиста важи, Ајнштајн је замислио да постави додатни прорез испред уобичајеног пара који би био опремљен опругама, како би могао да се повуче када фотон уђе у њега. На основу кретања опруга, физичари су тада могли да утврде да ли је фотон прошао кроз горњи или доњи прорез. Према Ајнштајну, то би значило да се може истовремено описати понашање честице фотона – путовање кроз одређени прорез попут мале лопте – и његово таласно понашање о чему сведочи образац интерференције, што би било у супротности са комплементарношћу.

Лу каже да је његов тим желео да направи овај уређај на „крајњој квантној граници“, тако да су испалили један фотон не на прорез, већ на атом који би могао да се повуче на исти начин. Поред тога, ударање у атом доводи фотон у квантно стање еквивалентно мешавини удаљавања од атома лево и десно, што је такође произвело интерференцијски образац када је ударио у детектор. Да би атом користили на овај начин, истраживачи су користили ласере и електромагнетне силе како би га учинили невероватно хладним, што је омогућило да се његове квантне особине контролишу изузетно прецизно. Ово је било пресудно за тестирање Борове реплике Ајнштајну: он је тврдио да би Хајзенбергов принцип несигурности, који каже да ако је промена момента прореза услед трзаја била позната веома добро, онда би његов положај постао веома нејасан и обрнуто, могао да уништи образац интерференције.

„Боров контрааргумент је био бриљантан. Али мисаони експеримент је остао теоретски скоро један век“, каже Лу.

Подешавањем ласера, Лу и његове колеге су могли да контролишу несигурност у импулсу атома као прореза. Чинећи то, открили су да је Борова тврдња тачна и да су могли да избришу образац интерференције подешавањем нејасноће његовог момента. Изненађујуће је да су истраживачи такође користили ову могућност да приступе режиму између којих су могли да измере неке информације о трзању и такође виде замућену верзију узорка сметњи. Овде је фотон ефективно показивао својства таласа и честица одједном, каже Лу.

„Прави интерес је за (ово) између“, каже Волфганг Кетерле са Технолошког института у Масачусетсу. Раније ове године, он и његове колеге извели су варијацију Ајнштајновог експеримента. Користили су ултрахладне атоме контролисане ласерима да спроведу верзију Ајнштајновог експеримента где се пар прореза може померати. Док су Лу и његове колеге користили један атом за распршивање светлости у два правца, овде су два атома распршила светлост у истом правцу, а ефекат фотона који удари сваки атом могао би се открити из промена у њиховим квантним стањима. Кетерл каже да је ово концептуално другачији начин да се испита дуалност талас-честица и јасније бележи шта је фотон урадио јер се ова информација „у ком правцу“ чува у једном од два одвојена атома, али је то мало одступање од Ајнштајнове оригиналне идеје.

Он и његове колеге су такође експериментисали са изненадним искључивањем својих ласера ​​- што је еквивалентно уклањању опруга из покретних прореза – а затим пуцањем фотона на атоме. Боров закључак се још увек сматрао да размена импулса између атома и фотона, плус принцип несигурности, још увек може да „испере“ пруге интерференцијског обрасца. Ова верзија Ајнштајнове идеје без пролећа није раније тестирана, каже Кеттерле. „У атомској физици, са хладним атомима и ласерима, имамо стварне могућности да прикажемо квантну механику са јасноћом што раније није било могуће.

Пхилипп Треутлеин са Универзитета у Базелу у Швајцарској каже да ова два експеримента снажно показују неке од основа квантне механике. „Са нашим савременим разумевањем, знамо одговор на то како квантна механика функционише на микроскопској скали. Али увек је важно ако то видите стварно, да тако кажем, ако неко заиста уради тај експеримент.“ Експеримент Луа и његовог тима концептуално одговара цртежима који су остали у историјским записима дебата између Бора и Ајнштајна и понаша се тачно на начин на који квантна механика предвиђа да би требало да се понаша, каже он.

За Лу, има још много тога да се истражи, на пример још детаљније класификовање квантног стања прореза, као и повећање његове масе. Али експеримент такође има огромну образовну вредност. „Изнад свега, надам се да то преноси чисту лепоту квантне механике“, каже он. „Ако још неколико младих људи гледа како се образац интерференције појављује или нестаје у реалном времену и каже: „Вау, природа заиста тако функционише“, онда је експеримент већ успео.