Slávny dvojštrbinový experiment potvrdený v kvantovej podobe, Einstein sa mýlil

Fyzici z MIT vykonali idealizovanú verziu jedného z najznámejších experimentov kvantovej fyziky. S presnosťou na úrovni atómov potvrdili dualitu svetla a ukázali, že Albert Einstein sa v tomto kvantovom scenári mýlil.

Dvojštrbinový experiment, prvýkrát realizovaný v roku 1801, demonštruje vlnovú povahu svetla. V kvantovej mechanike ukazuje prekvapivú realitu: svetlo existuje ako častica aj ako vlna. Túto dualitu nemožno pozorovať súčasne. Sledovanie svetla ako častice potláča jeho vlnové vlastnosti a naopak.

Experiment spočíva v prechode svetelného lúča cez dve rovnobežné štrbiny na obrazovku. Namiesto dvoch prekrývajúcich sa bodov, ktoré by naznačovali časticovú povahu (fotóny), sa na obrazovke objavia striedajúce sa svetlé a tmavé pruhy, interferenčný obrazec typický pre vlny. Pokus o meranie, cez ktorú štrbinu svetlo prechádza, spôsobí, že sa začne správať ako častica a interferenčný obrazec zmizne.

Tento experiment sa učí na stredných školách ako ilustrácia princípu kvantovej mechaniky: všetky objekty, vrátane svetla, sú súčasne časticami a vlnami.

Komentár redakcie: Tento experiment je kľúčový pre pochopenie základov kvantovej mechaniky. Ukazuje, že aj keď sa Einstein mýlil v detailoch, jeho diskusia s Bohrom podnietila hlbšie skúmanie kvantového sveta. Interpretácie kvantovej mechaniky sú stále predmetom diskusií, no experimenty ako tento nám pomáhajú lepšie pochopiť realitu na najzákladnejšej úrovni. Je dôležité poznamenať, že existujú rôzne interpretácie kvantovej mechaniky, ktoré sa líšia v pohľade na to, čo sa deje, keď sa niečo meria, ale všetky musia viesť k rovnakým experimentálnym výsledkom.

Pred takmer sto rokmi bol experiment stredobodom debaty medzi Einsteinom a Bohrom. Einstein tvrdil, že fotón prechádza len jednou štrbinou a pôsobí na ňu miernou silou. Navrhol detekciu tejto sily súčasne s pozorovaním interferenčného obrazca, čím by sa zachytila časticová aj vlnová povaha svetla naraz. Bohr oponoval s princípom neurčitosti, ktorý ukazuje, že detekcia dráhy fotónu by interferenčný obrazec zničila.

Vedci odvtedy vykonali rôzne verzie experimentu, potvrdzujúce Bohrovu teóriu. Fyzici z MIT teraz uskutočnili najidealizovanejšiu verziu, využívajúc jednotlivé atómy ako štrbiny a slabé lúče svetla. Upravovaním kvantových stavov atómov dokázali meniť informácie, ktoré atómy získali o dráhe fotónov. Potvrdili tak predpovede kvantovej teórie: čím viac informácií sa získa o dráhe svetla, tým menej viditeľný je interferenčný obrazec.

Demonštrovali, v čom sa Einstein mýlil – narušenie atómu prechádzajúcim fotónom znižuje vlnovú interferenciu. "Einstein a Bohr by si nikdy nemysleli, že je možné vykonať takýto experiment s jednotlivými atómami a fotónmi," hovorí profesor Wolfgang Ketterle, vedúci tímu MIT. "To, čo sme urobili, je idealizovaný myšlienkový experiment."

Výskumníci v MIT experimentujú s atómami a molekulami ochladenými na teploty blízke absolútnej nule, usporiadanými v konfiguráciách, ktoré držia pomocou laserového svetla. V týchto ultrachladných oblakoch sa objavujú exotické javy, ktoré sa vyskytujú len v kvantovej škále.

V nedávnom experimente tím skúmal rozptyl svetla, aby odhalil vlastnosti materiálov vytvorených z ultrachladných atómov. Zistili, že môžu kvantifikovať, do akej miery sa proces rozptylu správa ako častica alebo vlna, a aplikovať túto metódu na realizáciu slávneho experimentu idealizovaným spôsobom.

V novej štúdii pracovali s viac ako 10 000 atómami, ktoré ochladili na mikrokelvinové teploty. Použili laserové lúče na usporiadanie atómov do kryštalickej mriežky. V tomto usporiadaní je každý atóm dostatočne vzdialený od ostatných, aby sa dal považovať za izolovaný. 10 000 atómov produkuje ľahšie detegovateľný signál ako jeden alebo dva atómy.

Zistili, že s týmto usporiadaním môžu prechádzať slabý lúč svetla cez atómy a pozorovať, ako sa jeden fotón rozptýli od dvoch susedných atómov, ako vlna alebo častica, podobne ako v pôvodnom experimente.

Práca na úrovni jednotlivých fotónov si vyžadovala opakované opakovanie experimentu a použitie ultra-citlivého detektora na zaznamenávanie obrazca svetla rozptýleného atómami. Z intenzity detekovaného svetla mohli vedci priamo odvodiť, či sa svetlo správa ako častica alebo vlna.

Obzvlášť ich zaujímala situácia, keď sa polovica fotónov správala ako vlny a polovica ako častice. Dosiahli to úpravou "rozmazanosti" atómu, teda istoty jeho polohy. Čím voľnejšie je atóm držaný, tým "priestorovo rozsiahlejší" sa javí. Rozmazanejší atóm sa ľahšie otrasie a zaznamenáva dráhu fotónu. Preto, zvýšením "rozmazanosti" atómu, môžu výskumníci zvýšiť pravdepodobnosť, že fotón bude vykazovať časticové správanie. Ich pozorovania boli v plnom súlade s teoretickým popisom.

Vedci testovali Einsteinovu ideu o detekcii dráhy fotónu. Ak by bola každá štrbina rozrezaná do tenkého papiera, ktorý by bol zavesený na pružine, fotón prechádzajúci cez jednu štrbinu by otriasol pružinou, čo by bolo signálom časticovej povahy fotónu. Ketterle a jeho kolegovia však dokázali vykonať experiment bez týchto pružín.

Atómy boli držané na mieste laserovým svetlom, podobne ako Einsteinova koncepcia štrbiny zavesenej na pružine. Vedci usúdili, že ak by sa vzdali "pružiny" a pozorovali rovnaký jav, ukázalo by to, že pružina nemá vplyv na dualitu fotónu. To sa aj potvrdilo. Počas opakovaných pokusov vypli laser držiaci atómy na mieste a rýchlo urobili meranie v priebehu milióntiny sekundy, predtým, ako sa atómy stali rozmazanejšími a nakoniec spadli v dôsledku gravitácie. V tomto krátkom čase sa atómy vznášali vo voľnom priestore. V tomto scenári bez pružín tím pozoroval rovnaký jav: vlnovú a časticovú povahu fotónu nebolo možné pozorovať súčasne.

"V mnohých popisoch hrajú pružiny hlavnú úlohu. My však ukazujeme, že pružiny tu nie sú dôležité; dôležitá je len rozmazanosť atómov," hovorí Fedoseev. "Preto je potrebné použiť hlbší popis, ktorý využíva kvantové korelácie medzi fotónmi a atómami."

Vedci poznamenávajú, že rok 2025 bol vyhlásený Organizáciou Spojených národov za Medzinárodný rok kvantovej vedy a technológie, ktorý oslavuje formuláciu kvantovej mechaniky pred 100 rokmi. Diskusia medzi Bohrom a Einsteinom o dvojštrbinovom experimente sa uskutočnila o dva roky neskôr.

"Je to úžasná náhoda, že sme mohli pomôcť objasniť túto historickú kontroverziu v tom istom roku, keď oslavujeme kvantovú fyziku," hovorí spoluautor Lee.