Проверка квантовых основ: как знаменитый эксперимент с двойной щелью подтвердил природу света

DeFi Налоги и криптовалюта

Эксперимент с двойной щелью является одним из самых известных и фундаментальных опытов в истории физики. Его впервые провёл британский учёный Томас Юнг в далёком 1801 году с целью доказать волновую природу света. Простота установки, где световой пучок проходит через две параллельные щели и затем попадает на экран, скрывает глубочайшие законы природы, связанные с квантовой механикой. Никогда ранее не наблюдавшаяся двойственная природа света — одновременное проявление свойств частицы и волны — становится наглядной благодаря этому эксперименту. Однако до недавних пор многие вопросы оставались открытыми, а классические взгляды некоторых великих учёных, таких как Альберт Эйнштейн, продолжали влиять на восприятие эксперимента.

В 2025 году физики из Массачусетского технологического института (MIT) провели усовершенствованную версию классического опыта, раскрывая новые важные аспекты квантового мира и одновременно подтверждая основные положения квантовой теории. Классическое изложение эксперимента предполагает, что если свет состоит из частиц, то прохождение через две щели должно привести к появлению на экране двух ярких пятен, соответствующих свету, прошедшему через каждую щель. Однако в реальности наблюдается характерный интерференционный узор из чередующихся светлых и тёмных полос, свидетельствующий о волновой природе света. Этот узор возника­ет вследствие взаимодействия волн, проходящих через две щели и усиливающих или ослабляющих друг друга. Уникальность явления состоит в том, что как только начинают измерять, через какую именно щель проходит фотон — то есть пытаются обнаружить его путь — волновая интерференция исчезает и свет ведёт себя как частица.

В начале XX века Альберт Эйнштейн предложил интересный способ проверить, не возможно ли одновременно зафиксировать как волновую, так и корпускулярную природу фотона. Он предположил, что фотон, проходя через щель, должен слегка возбуждать или «трогать» её, вызывая крошечное смещение, подобное тому, как птица трепещет лист при пролёте. Теоретически можно было бы зафиксировать это смещение и одновременно наблюдать интерференционную картину. Однако такой взгляд противоречил принципам квантовой механики, и Нильс Бор возразил, что измерение пути фотона неизбежно уничтожит интерференцию, следуя неразрывно связанной с квантовой неопределённостью природы. Современное исследование команды MIT пошло дальше, устранив многие практические ограничения предыдущих реализаций.

 

Группа под руководством лауреата Нобелевской премии Вольфганга Кеттерле создала систему, которая представлена, по их словам, как «идеализированный мысленный эксперимент». Вместо традиционных двух щелей использовались отдельные, находящиеся в сверххолодном состоянии атомы, удерживаемые в оптических ловушках. Эти атомы выступали в роли самых маленьких возможных щелей — настолько маленьких, что эффект экспериментально регистрируемого светового рассеяния мог быть изучен с беспрецедентной точностью. Такая новаторская постановка позволила исследователям не только наблюдать поведение отдельных фотонов, но и управлять свойствами атомов, влияющими на информацию о путях этих фотонов. Способность «настраивать» атомы по принципу «размытия» их положения — достижимая путём изменения интенсивности лазерного удержания — давала возможность контролировать степень «достоверности» информации о пути частицы света.

 

Чем более «размыт» атом, тем менее он способен зафиксировать путь фотона, и тем сильнее проявляется волновая интерференция. Напротив, при более чётком закреплении атома фотон ведёт себя как частица — интерференция уменьшается или исчезает. Значение эксперимента выходит за рамки подтверждения классических выводов квантовой механики. В ходе исследований выяснилось, что так называемые «пружинные» эффекты — представляющие собой механические отклики, подобные тем, что предлагал наблюдать Эйнштейн — не имеют ключевого значения для проявления двойственной природы света. Учёные смогли буквально выключить лазерное удержание атомов, переведя их в «свободное плавание» без механических ограничений, после чего эффект наблюдался в полном объёме.

 

Это доказывает, что справедливо лишь более глубокое объяснение, основанное на квантовых корреляциях между светом и материей, а не на классических механических представлениях. Работа исследовательской группы MIT вызвала большой отклик в научном сообществе и получила признание ведущих мировых изданий и ресурсов, таких как Gizmodo и Interesting Engineering. Этот эксперимент не просто подчёркивает важность двойственной природы света, но и служит доказательством неприкосновенности квантового принципа неопределённости, а также демонстрирует исключительную точность и управляемость современных методов квантовых исследований. Методы, применённые командой Кеттерле, не только позволяют управлять свойствами самих фотонов и атомов в ультрахолодных условиях, но и открывают новые горизонты в изучении квантовых систем. Создание регулярных оптических решёток из отдельных атомов и возможность фиксировать взаимодействия на уровне единичных фотонов открывают широкие перспективы для квантовых технологий, включая квантовые вычисления и сенсорику.

Поддержка исследовательской работы осуществлялась ведущими организациями, такими как Национальный научный фонд США (NSF), Министерство обороны США и фонд Гордона и Бетти Мур. Работа опубликована в престижном журнале Physical Review Letters и свидетельствует о высокой репутации и мировом уровне науки, производимой в MIT. 2025 год был объявлен ООН Международным годом квантовой науки и технологий, что придаёт особое символическое значение успешному разрешению спорных вопросов, возникавших с момента формирования основ квантовой механики 100 лет назад. Исследование MIT стало своеобразным мостом между классическими дискуссиями таких титанов науки, как Эйнштейн и Бор, и современными возможностями лабораторных экспериментов. Опыт с двойной щелью занимает ключевое место в образовании, являясь одним из главных примеров, иллюстрирующих странности квантового мира.

Новые результаты подтверждают, что основы квантовой механики незыблемы и что даже в самой идеализированной и контролируемой форме свет сохраняет своё таинственное двойственное существование: неразрывно волна и частица одновременно, но никогда не проявляясь так сразу. Таким образом, знаменитый эксперимент с двойной щелью вновь доказывает не только свои фундаментальные положения, но и открывает новые возможности для понимания микромира. Благодаря исключительно точным методам учёных MIT, которые смогли воспроизвести «мысленный эксперимент» в реальных условиях, современные физики получили бесценный инструмент для изучения природы света и материи. Эта работа не только восхищает своим техническим исполнением, но и напоминает, что квантовые законы, несмотря на всю их парадоксальность, остаются неизменной основой физического мира.