От над 100 години квантовата физика ни учи, че светлината е едновременно вълна и частица. Сега изследователи от Масачузетския технологичен институт са провеждали смел експеримент с единични атоми, който потвърждава, че макар светлината да може да се държи като частица или фотон, не може да се наблюдава да се държи и като двете едновременно.

Дебатът за природата на светлината датира от векове, от 17-ти век и времето на Исак Нютон и Кристофър Хюйгенс. Някои, като Нютон, вярвали, че светлината трябва да е съставена от частици, за да се обясни защо образите в огледалото са ясни и защо не можем да виждаме зад ъглите. И все пак, Хюйгенс и други посочиха, че светлината проявява вълново поведение, като дифракция и рефракция.

През 1801 г. физикът Томас Йънг измислил известния експеримент с двойната цепка, при който насочил кохерентен източник на светлина през две тесни цепки към стена. Ако светлината беше частица, бихме очаквали да се появят две припокриващи се светлинни петна на стената, тъй като различни фотони преминават през всяка от двете цепки. Вместо това Йънг открил, че светлината се разпространява по стената в редуващи се интерференционни модели от светло и тъмно. Това може да се обясни само ако светлинните вълни се разпространяват от всяка цепка и взаимодействат помежду си, което води до конструктивна и деструктивна интерференция.

Век по-късно Макс Планк доказа, че топлината и светлината се излъчват в малки пакети, наречени кванти, а Алберт Айнщайн доказа, че квантът светлина е частица, наречена фотон. Нещо повече, квантовата физика доказа, че фотоните проявяват и вълново поведение. Така че Нютон и Хюйгенс са били прави: светлината е едновременно вълна и частица. Наричаме това странно явление вълново-частична дуалност.

Принципът на неопределеността обаче гласи, че никога не можем да наблюдаваме фотон, който се държи едновременно като вълна и като частица. Бащата на квантовата физика Нилс Бор нарича това „допълнителност“ в смисъл, че допълнителните свойства на квантовата система, като поведението като вълна и като частица, никога не могат да бъдат измерени едновременно.

Айнщайн никога не е харесвал случайността, която комплементарността и принципът на неопределеността въвеждат в законите на природата. Затова той търси начини да опровергае комплементарността и за целта се връща към класическия експеримент на Йънг с двойната цепка. Той твърди, че когато фотонът преминава през една от цепките, страните на цепката трябва да усетят малка сила, тъй като са „разбъркани“ от преминаващия фотон. По този начин бихме могли едновременно да измерим светлината, действаща като фотонна частица, докато преминава през цепката, и като вълна, когато взаимодейства с други фотони.

Бор не e съгласен. Принципът на неопределеността описва как, например, не можем да знаем едновременно импулса на фотона и точното му местоположение — две допълващи се свойства. Следователно, според Бор, измерването на „шумоленето“ на преминаващия фотон би довело само до заличаване на вълновото поведение, а интерференционният модел, получен при експеримента с двойната цепка, би бил заменен само с две ярки точки.

Експериментите през годините са показали, че Бор е прав, но винаги е съществувало едно малко, досадно съмнение, че обемистите апарати могат да предизвикат ефекти, които маскират възприемането на светлината едновременно като вълна и като частица.

За да разреши този проблем, екипът от MIT, ръководен от физиците Волфганг Кетерле и Виталий Федосеев, сведе експеримента с двойната цепка до най-основния възможен апарат на атомно ниво. С помощта на лазери те подредиха 10 000 отделни атома, охладени до само няколко десети от градуса над абсолютната нула. Всеки атом действаше като цепка в смисъл, че фотоните можеха да се разсейват от тях в различни посоки и след много опити да създадат модел от светли и тъмни области, въз основа на вероятността фотонът да се разсее в определени посоки повече от други. По този начин разсейването създава същия дифракционен модел като експеримента с двойната цепка.

„Това, което сме направили, може да се разглежда като нов вариант на експеримента с двойната цепка“, казва Кетерле в изявление. „Тези единични атоми са като най-малките цепки, които бихте могли да построите.“

Експериментът показа, че Бор е бил абсолютно прав, когато е защитавал комплементарността, а Айнщайн е сгрешил. Колкото повече се измерваше раздвижването на атомите, толкова по-слаб ставаше дифракционният модел, тъй като фотоните, които бяха измерени като частици, вече не взаимодействаха с фотоните, които не бяха измерени като частици.

Експериментите показаха също, че апаратурата – в този случай лазерните лъчи, които задържат атомите на място – не влияе на резултатите. Екипът на Кетерле и Федосеев успя да изключи лазерите и да направи измерване в рамките на милионна от секундата след това, преди атомите да имат възможност да се разклатят или да се движат под въздействието на гравитацията. Резултатът беше винаги един и същ – частичната и вълновата природа на светлината не можеха да бъдат разграничени едновременно.

„Важно е само неточността на атомите“, каза Федосеев. Тази неточност се отнася до квантовата неточност, която обгражда точното положение на атома, съгласно принципа на неопределеността. Тази неточност може да се регулира според това колко здраво лазерите задържат атомите в положение, и колкото по-неточни и по-слабо задържани са атомите, толкова повече те усещат фотоните, които ги раздвижват, разкривайки по този начин светлината като частица.

„Айнщайн и Бор никога не биха помислили, че е възможно да се проведе такъв експеримент с единични атоми и единични фотони“, обобщава Кетерле.

Експериментът допълнително затвърждава странността на квантовата физика, в която частиците имат двойствена природа и никога не можем едновременно да измерим допълващи се свойства, като например дали светлината е вълна или частица, или позицията и импулса на тази частица. Вселената изглежда функционира на базата на вероятности, а новопоявилите се свойства, които наблюдаваме в квантовата област, са само проява на статистика, включваща много частици.

Снимка: Unsplash/V. Fedoseev et al.

Виж още: Според Tesla новият Roadster ще бъде последната кола на шофьора преди бъдещето на автомобилите без водачи