Айнщайн не е прав: Лазерно-охладени атоми от MIT разрешават вековен спор за светлината

Ваня Милева Последна промяна на 30 юли 2025 в 00:00 3672 0

Схема на експеримента на MIT: Два единични атома, плаващи във вакуумна камера, са осветени от лазерен лъч и действат като два процепа. Интерференцията на разсеяната светлина се записва с високочувствителна камера, изобразена като екран. Некохерентната све

Кредит MIT, DOI: 10.1103/zwhd-1k2t
Схема на експеримента на MIT: Два единични атома, плаващи във вакуумна камера, са осветени от лазерен лъч и действат като два процепа. Интерференцията на разсеяната светлина се записва с високочувствителна камера, изобразена като екран. Некохерентната светлина се появява като фон и предполага, че фотонът е действал като частица, преминаваща само през един процеп.

Най-прецизната до момента версия на прочутия експеримент с двойния процеп, една от иконите в историята на науката, наскоро бе извършен отново от физици от Масачузетския технологичен институт (MIT).

С помощта на единични фотони и лазерно охладени атоми, действащи като процепи на квантово ниво, екипът демонстрира, че светлината не може да се държи едновременно като вълна и като частица - нещо, което Айнщайн се надява да не е вярно, но Нилс Бор предвижда още преди век.

Двойният процеп и квантовата странност

Историята започва още през 1801 г., когато Томас Йънг за пръв път показва, че светлината създава интерференчен модел, ако премине през два процепа. Това е поведение, характерно за вълните.

С напредъка на квантовата механика в началото на 20-ти век, експериментът става още по-странен:

Ако се пусне фотон през два процепа, също се получава вълнова интерференчна картина.

Ако се опитаме да разберем през кой процеп е минал фотонът — и интерференчното изображение изчезва, а фотонът се държи като частица.

През 1927 г., на известната пета Солвеева конференция, Айнщайн предлага хипотеза: ако фотонът е частица, той би трябвало леко да "бутне" процепа, през който минава — нещо като бриз, който раздвижва завеса. Ако може да  се измери това леко движение (например на процеп, закрепен на пружина), може би ще разберем пътя на фотона без да разрушим вълновия модел.

Бор не е съгласен. Той посочва принципа на неопределеността на Хайзенберг: всякакъв опит да се научи пътят на фотона неизбежно унищожава вълновото поведение. Това е един от основните философски сблъсъци в историята на физиката.

MIT възражда експеримента с атомна прецизност

Сто години по-късно, физиците от MIT начело с Волфганг Кетерле (Wolfgang Ketterle) – нобелов лауреат и професор по физика – правят радикално подобрена версия на експеримента. Вместо метални процепи използват отделни лазерно охладени атоми – най-малките възможни "процепи", които могат да се създадат.

Екипът използва над 10 000 ултраохладени атома, подредени в кристална решетка чрез лазерен капан. Всеки атом е достатъчно изолиран, за да действа като самостоятелен процеп. Фотоните се пускат един по един, а височувствителен детектор записва резултатите дали се наблюдава вълнова интерференция или частици.

Контрол над квантовата неопределеност

Ключът към успеха е контролът върху "размазаността" (неопределеността) на позицията на всеки атом, т.е. колко точно е определено къде се намира атомът.

Слабо закрепен атом е по-размит и с по-голяма вероятност може да "усети" през кой процеп минава фотонът и тогава фотонът се държи като частица и няма интерференция.

Плътно закрепеният атом е по-малко размит и не "знае", накъде се е насочил фотонът, тогава се появява вълнова картина.

Резултатът е ясен:

  • Повече информация за пътя = по-малко интерференция
  • По-малко информация за пътя = повече интерференция

Но никога двете едновременно – фотонът не се държи едновременно като частица и вълна, точно както е предсказал Бор.

А какво става с пружината на Айнщайн?

MIT не спират дотук. Те дори пресъздават мисловния експеримент на Айнщайн — процепите са "закачени" на аналог на пружина, като се премахва лазерният капан и атомите се оставят да "плават" свободно във вакуум преди да паднат под влиянието на гравитацията.

Резултатите не се променят, защото "пружината" не играе роля. Онова, което е от значение, е неопределеността на атомите, не тяхната подвижност. Това окончателно доказва, че Айнщайн не е прав в този спор.

Поетично съвпадение: век по-късно

Експериментът идва навреме за 100-годишнината от раждането на квантовата механика (1925–2025). Сякаш науката празнува вековен юбилей с изключително елегантно потвърждение на нейните най-дълбоки принципи.

"Айнщайн и Бор никога не биха повярвали, че е възможно да се извърши такъв експеримент с единични атоми и фотони. Това, което направихме, е реализация на идеален мисловен експеримент (Gedankenexperiment)", заключава Кетерле.

Защо това е важно?

Този експеримент не е просто академично упражнение. 

  • Той потвърждава централни принципи на квантовата механика;
  • демонстрира висш контрол над материя и светлина — ключов за квантовите технологии;
  • разширява границите на това, което можем да измерим и манипулираме на квантово ниво.

В свят, в който се разработват квантови компютри, квантови сензори и квантова криптография, подобна прецизност е от фундаментално значение.

Справка: Coherent and Incoherent Light Scattering by Single-Atom Wave Packets; Vitaly Fedoseev, Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee, Jiahao Lyu, Wolfgang Ketterle; Physical Review Letters, July 22, 2025 DOI: 10.1103/zwhd-1k2t

Източник: Famous double-slit experiment holds up when stripped to its quantum essentials, Jennifer Chu, MIT News

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !