В продължение на повече от 100 години квантовата физика ни учи, че светлината е едновременно вълна и частица. Сега изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) са провели смел експеримент, използвайки единични атоми, който потвърждава, че макар светлината да може да се държи или като частица, или като фотон, тя не може да се наблюдава едновременно и като двете.
Дебатът за природата на светлината датира от векове назад, до 17-ти век и времето на Исак Нютон и Кристиан Хюйгенс. Някои, като Нютон, вярвали, че светлината трябва да е съставена от частици, за да обяснят защо огледалните изображения са ясни и неспособността ни да виждаме зад ъглите. И все пак, Хюйгенс и други посочват, светлината проявява вълнообразно поведение, като дифракция и пречупване.
През 1801 г. физикът Томас Йънг разработва известния експеримент с двоен процеп, при който насочва кохерентен източник на светлина през два тесни процепа към стена. Ако светлината беше частица, щяхме да очакваме две припокриващи се светлинни петна да се появят на стената, когато различни фотони преминават през всеки от двата процепа. Вместо това Йънг открива, че светлината се разпространява по стената в редуващи се интерферентни модели на светлина и тъмнина. Това може да се обясни само ако светлинните вълни се разпространяват от всеки процеп и взаимодействат помежду си, което води до конструктивна и деструктивна интерференция.
Век по-късно Макс Планк показа, че топлината и светлината се излъчват в малки пакетчета, наречени кванти, а Алберт Айнщайн показа, че квант светлина е частица, наречена фотон. Нещо повече, квантовата физика показа, че фотоните също проявяват вълнообразно поведение. Така че и Нютон, и Хюйгенс са били прави: светлината е едновременно вълна и частица. Наричаме това странно явление корпускулярно-вълнова двойственост.
И все пак принципът на неопределеността гласи, че никога не можем да наблюдаваме фотон, действащ едновременно като вълна и като частица. Бащата на квантовата физика, Нилс Бор, нарича това „допълняемост“ в смисъл, че допълващите се свойства на квантовата система, като например поведението ѝ като вълна и частица, никога не могат да бъдат измерени едновременно.
Айнщайн никога не е бил любител на случайността, която допълнителността и принципът на неопределеността въвеждат в законите на природата. Затова той търси начини да опровергае допълнителността и по този начин се връща към класическия експеримент на Йънг с двоен процеп. Той твърди, че когато фотонът преминава през един от процепите, стените на процепа трябва да усещат малка сила, тъй като се „раздвижват“ от преминаващия фотон. По този начин бихме могли едновременно да измерим светлината, действаща като фотонна частица, докато се движи през процеп, и като вълна, когато взаимодейства с други фотони.
Бор не се съгласи. Принципът на неопределеността описва как например не можем да знаем едновременно импулса на фотона и неговата точна позиция – и двете допълващи се свойства. Следователно, каза Бор, измерването на „шумоленето“ на преминаващия фотон би довело само до премахване на вълнообразното поведение, а интерферентната картина, създадена от експеримента с двойния процеп, би била заменена само с две ярки петна.
Експерименти през годините показват, че Бор е прав, но винаги е имало малкото, натрапчиво съмнение, че обемистите апарати биха могли да въведат ефекти, които маскират едновременното възприемане на светлината като вълна и частица.
За да се справи с това, екипът на MIT, ръководен от физиците Волфганг Кетерле и Виталий Федосеев, свел експеримента с двоен процеп до възможно най-основния апарат, в атомен мащаб. Използвайки лазери, те подредили 10 000 отделни атома, охладени само до части от градуса над абсолютната нула . Всеки атом действал като процеп, в смисъл, че фотоните можели да се разсейват от него в различни посоки и в хода на многобройни опити да се получи модел от светли и тъмни области, базиран на вероятността един фотон да се разсее в определени посоки повече от други. По този начин разсейването създава същата дифракционна картина като експеримента с двоен процеп.
„Това, което направихме, може да се разглежда като нов вариант на експеримента с двойни процепи“, каза Кетерле в изявление. „Тези единични атоми са като най-малките процепи, които бихте могли да построите.“
Експериментът показа, че Бор определено е бил прав, когато е твърдял за допълняемостта, и че Айнщайн е сгрешил. Колкото повече атомно шумолене е било измерено, толкова по-слаба е била дифракционната картина, тъй като фотоните, измерени като частици, вече не са се сблъсквали с фотоните, които не са били измерени като частици.
Експериментите също така показаха, че апаратът – в този случай лазерните лъчи, държащи атомите на място – не е повлиял на резултатите. Екипът на Кетерле и Федосеев успя да изключи лазерите и да направи измерване в рамките на една милионна от секундата, преди атомите да са успели да се поклащат или движат под влиянието на гравитацията. Резултатът винаги беше един и същ – частицната и вълновата природа на светлината не можеха да бъдат едновременно разпознати.
„Това, което има значение, е само размиването на атомите“, каза Федосеев. Това размиване се отнася до квантовата размитост, която обгражда точната позиция на атома, съгласно принципа на неопределеността. Тази размитост може да се настройва от това колко здраво лазерите държат атомите на място и колкото по-размити и хлабаво са държани атомите, толкова повече усещат фотоните да ги шумолят, като по този начин разкриват светлината като частица.
„Айнщайн и Бор никога не биха си помислили, че това е възможно, да се извърши такъв експеримент с единични атоми и единични фотони“, каза Кетерле.
Експериментът допълнително затвърждава странностите 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 сякаш функционира на базата на вероятностите, а възникващите свойства, които виждаме да идват от квантовата сфера, са само проявление на статистика, включваща много частици, всички от които, за огорчение на Айнщайн, „играят на зарове“.
