Эксперимент Уилера подтвердил принцип дополнительности для атомов
Команда физиков из Австралийского национального университета реализовала мысленный эксперимент Уилера с отложенным выбором, заменив фотоны сверххолодными метастабильными атомами гелия. Новая работа подтвердила классические положения принципа дополнительности Нильса Бора. Статья опубликована в Nature Physics.
В 1978 году Джон Арчибальд Уилер предложил более изощренный вариант классического двущелевого опыта Юнга, доказавшего волновую природу света. По Юнгу пучок света направляется на перегородку с двумя узкими щелями. При этом размер каждой щели примерно соответствует длине волны излучаемого света. Проходя сквозь щели, свет попадает на проекционный экран позади. Если бы фотоны проявляли исключительно корпускулярные свойства, то на экране были бы два ярко освещенных участка позади щелей и темный участок между ними. В то же время, если фотоны проявляют волновые свойства, то каждая щель становится вторичным источником волн. Эти волны интерферируют, и вместо двух освещенных полос, возникает множество светлых и темных зон на проекционном экране. Причем один из локальных максимумов освещенности находится там, где должно быть темное место (в случае, если бы фотон был только частицей).
Казалось бы, волновая природа света экспериментально доказана, однако, математически это значило, что фотон одновременно проходит через обе щели. Тогда физики попытались, посредством измерения, определить — через какую щель в действительности пролетает один фотон. Выяснилось, что в случае наблюдения фотон вновь начал действовать как частица, как если бы «знал», что за ним наблюдают. Факт наблюдения словно разрушает волновую функцию. И наоборот, как только наблюдения нет, фотон вновь начинает интерферировать сам с собой, действуя как волна.
Констатируя экспериментально наблюдаемый корпускулярно-волновой дуализм, Нильс Бор постулировал принцип дополнительности. Он гласит, что если наблюдатель измеряет свойства квантового объекта как частицы, то он ведет себя как частица. Если же измеряются его волновые свойства, то для наблюдателя он ведет себя как волна. Поэтому для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два, казалось бы, противоречащих друг другу представления, которые, в итоге, оказываются взаимно дополняющими, что и отражено в названии принципа.
Чтобы преодолеть это противоречие и проверить эффект наблюдателя Уилер предложил использовать интерферометр Маха – Цандера. Он состоит из четырех зеркал. Первое расщепляет поток света на два пучка, которые затем отражаются от двух непрозрачных зеркал и сводятся вновь вместе в четвертом зеркале. По двум сторонам от него стоят детекторы. Фотоны необходимо выпускать по одному.
Одиночный фотон как бы расщепляется на два в первом зеркале, или, иными словами, проявляет волновые свойства. Затем он отражается от двух идеальных зеркал, вновь интерферирует сам с собой в четвертом полупрозрачном зеркале, и наконец попадает в один из детекторов. Для каждого конкретного фотона срабатывает только один из детекторов, но если повторять опыт много раз, получится некоторое нетривиальное соотношение отсчетов двух детекторов. Это соотношение показывает, что частица, достигнув четвертого зеркала, ведет себя как волна. Если же четвертое зеркало убрать, то соотношение между срабатываниями будет 50:50. Это выглядит так, как будто в момент первого расщепления частица уже «решила», по какому пути она пойдет.
Идея Уилера заключалась в том, чтобы появление в схеме четвертого зеркала решалось посредством генератора случайных чисел уже после того, как фотон вошел в интерферометр, но до того, как его поглотил один из детекторов – так называемый отложенный выбор. Таким образом, экспериментаторы лишали бы фотон возможности «узнать», производится ли наблюдение или нет, и тем самым определить свое «поведение» – предстать частицей или волной. Впервые эту гипотетическую схему удалось реализовать лишь в 2007 году.
В новом исследовании австралийские физики использовали более массивные частицы – атомы, тем самым протестировав экспериментальную схему Уилера в совершенно новых условиях.
Ученые использовали сверххолодные атомы гелия, выпуская их поодиночке из оптической дипольной ловушки. Под действием гравитации атомы начинали падать в специальный детектор в виде микроканальной пластины. Спустя миллисекунду после начала падения лазерный луч «ударял» по атому, заставляя его занять суперпозицию двух дипольных моментов, направленных в разные стороны. Это был аналог «первого расщепляющего зеркала» Уилера.
Затем ученые решали – применить ли им второй лазерный импульс, для рекомбинации этих двух состояний. Всего могло быть два варианта такого смешанного состояния: первое в виде суммы двух волн и второе в виде разности. Какое из них возникнет, определял квантовый генератор случайных чисел. После применения второго лазерного импульса уже нельзя было определенно сказать — в каком из двух состояний находится атом. Всего таких экспериментальных проб было совершено больше тысячи.
Выяснилось, что если второй лазерный импульс не применялся, то вероятность детекции каждого из дипольных моментов равнялась 0,5. В то же время, после воздействия второго лазерного импульса наблюдалась четкая картина интерференции, выраженной в виде синусоиды, так же как и в опыте Юнга.
Таким образом, подтвердилось предположение Нильса Бора о том, что не имеет смысла приписывать то или иное поведение частицам – как волны или как собственно частицы — до того как было произведено измерение. Впрочем, существует еще одно маловероятное объяснение, что частицы каким-то образом получают информацию из будущего. Оно предполагает, что информация может передаваться быстрее света, что невозможно с точки зрения теории относительности.