Einstein się mylił. Fizycy powtórzyli eksperyment z podwójną szczeliną
Słynne doświadczenie Younga z przepuszczeniem światła przez dwie szczeliny ukazało dwoistą, korpuskularno-falową naturę światła. Eksperyment przeprowadzono w 1801 roku, a niedawno powtórzyli go naukowcy z MIT. Tym razem jednak wykorzystali szczelinę o grubości zaledwie atomu. Ich odkrycie może wskazywać, że Einstein się mylił. Efektu obserwatora naprawdę nie można ominąć?
Spis treści:
Eksperyment z podwójną szczeliną. Czy można ominąć efekt obserwatora?
Eksperyment przeprowadzony przez Thomasa Younga w 1801 roku przyniósł jedno z najbardziej zadziwiających odkryć w historii. Przepuścił on światło najpierw przez jedną szczelinę, aby uzyskać wiązkę, a następnie przez dwie równoległe, pionowe szczeliny położone blisko siebie. Za nimi znajdował się ekran, a na nim pojawił się wzór interferencyjny z prążkami, typowy dla fal, a nie cząsteczek.
Eksperyment ten dowiódł, że światło ma dwoistą naturę. Dualizm korpuskularno-falowy oznacza, że światło ma właściwości zarówno typowe dla cząstki, jak i fali. To samo dotyczy także m.in. elektronów.
Eksperyment okazał się o tyle dziwny, że gdy naukowcy próbowali wykryć, którą szczeliną przeleciało światło, wzór interferencyjny na ekranie znikał i zastępował go wzór, który sugerował, że światło zachowuje się jak cząstka. Albert Einstein zdawał sobie sprawę z tego efektu, ale zakładał również, że może istnieć sposób, aby jednocześnie wykryć szczelinę, przez którą przeszedł foton, i nie zakłócać interferencji. Mogłyby do tego posłużyć np. czułe sprężyny przymocowane do ekranu. Niels Bohr, powołując się na zasadę nieoznaczoności Heisenberga, przekonywał z kolei, że to niemożliwe.
Czy Einstein mógł mieć rację i da się jakoś ominąć efekt obserwatora i zasadę nieoznaczoności Heisenberga, według której niemożliwa jest jednoczesna obserwacja niektórych par właściwości fizycznych, takich jak położenie i pęd cząstki? "Wyidealizowany" eksperyment z dwoma szczelinami, przeprowadzony przez naukowców z MIT, przyznaje raczej rację Bohrowi.
Fizycy z MIT przeprowadzili najdokładniejsze doświadczenie Younga. Einstein nie miał racji
W przypadku eksperymentu z podwójną szczeliną nie da się jednocześnie obserwować korpuskularnej i falowej natury światła. Gdy obserwuje się je jako cząstkę, natychmiast znika jego natura falowa - i na odwrót. Fizycy z Massachusetts Institute of Technology przeprowadzili tymczasem "wyidealizowaną" wersję eksperymentu, dosłownie rozkładając go na kwantowe czynniki pierwsze. To najdokładniejsza wersja tego eksperymentu w historii.
Fizycy wykorzystali do tego badania ponad 10 tysięcy atomów schłodzonych do ultraniskich temperatur oraz wiązek światła laserowego. "Te pojedyncze atomy są jak najmniejsze sita, które da się zbudować" - powiedział Wolfgang Ketterle z MIT, jeden z autorów badania. Eksperyment został opisany w artykule w "Physical Review Letters".
"Użyli oni pojedynczych atomów jako szczelin oraz słabych wiązek światła, tak aby każdy atom rozpraszał co najwyżej jeden foton. Dzięki przygotowaniu atomów w różnych stanach kwantowych byli oni w stanie modyfikować, jakie informacje atomy uzyskiwały o torze fotonów. Badacze potwierdzili przewidywania teorii kwantowej: im więcej informacji pozyskano na tej ścieżce światła (np. natura cząstki), tym niższa była widoczność wzoru interferencji. Zademonstrowali oni, gdzie Einstein się mylił. Za każdym razem, gdy atom jest 'poruszany' przez przelatujący foton, interferencja fal się osłabia" - czytamy w oświadczeniu MIT.
Źródło: Vitaly Fedoseev, Hanzhen Lin (林翰桢), Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee, Jiahao Lyu, Wolfgang Ketterle. Coherent and Incoherent Light Scattering by Single-Atom Wave Packets. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/zwhd-1k2t
