Вселенная запрещает подглядывать: эксперимент с атомом закрыл 100-летний спор Эйнштейна и Бора

Пятая Сольвеевская конференция. В одном зале собрались люди, чьими именами позже назовут физические постоянные и химические элементы. В центре внимания — спор Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Эйнштейн не принимал вероятностную природу новой физики. Он искал брешь в логике квантовой механики, способ обойти принцип неопределенности Гейзенберга.

Его аргументом стал мысленный эксперимент.

Эйнштейн предложил модифицировать классический опыт с двумя щелями. Представьте, говорил он, что первая щель не зафиксирована жестко, а может двигаться. Она настолько легкая, что когда через нее пролетает частица света (фотон), щель испытывает крошечный толчок — отдачу. Измерив импульс этой отдачи, мы узнаем, через какую именно траекторию прошел фотон. При этом, по мнению Эйнштейна, мы сохраним интерференционную картину на экране.

То есть, мы бы наблюдали частицу (знали путь) и волну (видели интерференцию) одновременно.

Нильс Бор парировал. Он утверждал, что само измерение импульса щели внесет такую неопределенность, что интерференционная картина исчезнет. Природа защищает свои законы: вы либо знаете путь, либо видите волну. Никогда и то, и другое сразу.

Почти сто лет этот спор оставался на бумаге. Никто не мог создать «подвижную щель» нужной чувствительности. До сегодняшнего дня. Группа физиков из Китая реализовала схему Эйнштейна в железе, используя технологии, о которых в 1927 году мечтать, конечно же, не могли.

Атом вместо стены

Главная инженерная проблема эксперимента Эйнштейна — масса. Чтобы заметить удар одиночного фотона, «щель» должна быть невероятно легкой. Любое макроскопическое зеркало или пластина слишком тяжелые.

Авторы нового исследования пошли хитрым путем. Они заменили механическую щель одиночным атомом рубидия-87.

Как это работает?

1. Оптический пинцет: атом удерживается в вакууме с помощью сфокусированного лазерного луча.
2. Охлаждение до предела: с помощью метода рамановского охлаждения боковых полос атом переводят в «основное состояние движения». Это значит, что он практически замирает. Его тепловые колебания подавлены.
3. Рассеяние: на атом направляют фотон. Атом работает как барьер. Фотон рассеивается на нем, передавая атому крошечный импульс.

Это и есть «подвижная щель». Атом получает удар (отдачу) и меняет свой импульс. Если мы можем измерить это изменение, мы знаем траекторию фотона.

Настройка неопределенности

Самое интересное в этой работе — возможность подстройки. Ученые смогли менять жесткость оптической ловушки, удерживающей атом. Это напрямую влияет на принцип неопределенности.

Логика такая:

• Если ловушка «жесткая», атом сильно зажат в пространстве, и мы точно знаем, где он. Но согласно принципу Гейзенберга, чем точнее мы знаем координату, тем больше неопределенность импульса.
• Если ловушка «мягкая», атом локализован хуже, зато его импульс определен гораздо точнее.

Это позволило физикам проверить гипотезу Эйнштейна в динамике. Они меняли параметры ловушки, делая атом то более, то менее чувствительным к удару фотона.

Где прячется интерференция?

Результаты эксперимента подтвердили правоту Нильса Бора с высокой точностью.

Когда физики настраивали ловушку так, чтобы импульс атома был определен максимально точно (то есть создавали условия для выяснения «пути» фотона), интерференционные полосы на детекторе размывались и исчезали. Система вела себя как поток частиц.

Как только они меняли настройки, увеличивая неопределенность импульса атома (теряя информацию о пути), интерференционная картина возвращалась. Свет снова вел себя как волна.

Авторы исследования подчеркивают: исчезновение интерференции происходит не из-за технических помех или нагрева атома (хотя они тщательно отделили эти классические шумы от квантовых эффектов). Причина это запутанность.

В момент удара фотон и атом становятся единой квантовой системой. Состояние атома оказывается жестко связано с траекторией фотона. Чем сильнее эта связь, тем больше информации о пути мы получаем, и тем слабее проявляются волновые свойства.

Почему это важно?

Мы привыкли слышать о странностях квантовой механики. Но этот эксперимент переводит странность из среды философских бесед в измеряемые величины.

Исследователи не просто повторили спор столетней давности. Они создали интерферометр, работающий на пределе квантовой чувствительности. Они показали, как именно происходит переход от квантового мира к классическому. «Классичность» возникает не просто так — она появляется, когда система начинает терять когерентность из-за взаимодействия с окружением (в данном случае — нагрев и шумы, которые ученые также измерили и отделили от чистого эффекта).

Эйнштейн проиграл в этом споре еще в 1927 году теоретически. Теперь он проиграл экспериментально. Природа не позволяет подглядывать за своими механизмами, не разрушая их. Но ирония в том, что именно попытки Эйнштейна опровергнуть квантовую теорию привели нас к глубочайшему пониманию запутанности — ресурса, на котором сегодня строятся квантовые компьютеры.

Источник: arXiv