Новий експеримент підтвердив на практиці двоїсту квантову природу світла
Що являють собою фотони? Частинки або електромагнітні хвилі? Цей фундаментальний питання переслідує вчених-фізиків протягом багатьох десятиліть. І до останнього моменту часу на нього не було дано однозначної відповіді з-за того, що світло має двоїсту природу. Однак, у всіх експериментах, проведених раніше вченими, світло мав властивості хвилі або властивості частинки, але ніколи ці дві сторони природи світла не проявлялися одночасно.
Тепер, уперше в історії науки, новий експеримент продемонстрував світло, ведучий себе і як частинка і як хвиля одночасно, показуючи справжній характер світла і цілого квантового світу. Така поведінка характерна не лише для фотонів світла, двоїсту природу демонструють і інші субатомні частинки, включаючи електрони, кварки і навіть не так давно виявлена частинка, що володіє характеристиками невловимого бозона Хіггса. Така двоїста природа називається корпускулярно-хвильовим дуалізмом (wave-particle duality) і вона є одним з фундаментальних принципів теорії квантової механіки.
Готуючись до проведення нового експерименту, вчені задалися питанням, що є свого роду "вимикачем", положення якого визначає те, чим є фотон світла в поточний момент часу, хвилею або часткою? Або світло завжди є часткою і хвилею одночасно? Для того, що б знайти відповіді на ці питання вчені розробили принципово нові методики вимірювань, які можуть виявити відразу хвильову і корпускулярну складові світла. Ці методики покладаються на дуже дивний квантовий ефект, званий квантової нелокальностью (quantum nonlocality), парадоксальне поняття, яке зводиться до ідеї, що одна і та ж сама частинка може перебувати одночасно в двох різних розташуваннях.
"Наш науковий прилад виявив дуже сильне прояв ефекту квантової нелокальності, що стало підтвердженням того, що фотон вів себе одночасно як частинка і як хвиля в нашому експерименті" - розповідає Альберто Перуссо (Alberto Peruzzo), вчений-фізик з Брістольського університету. "Результати наших вимірів є спростуванням тих теорій, які спростовують двоїсту природу світла і стверджують, що фотон світла є виключно хвилею або виключно часткою".
Згідно статті, виданій в журналі Science від 2 листопада, проведений експеримент використав ще один дивний аспект квантової механіки - явище квантової заплутаності. Це явище полягає в тому, що дві частинки можуть бути заплутані так, що впливу, надані на одну з частинок, моментально роблять вплив на іншу частку, незалежно від відстані, що розділяє ці частинки. Використовуючи явище квантової заплутаності, вчені у своєму експерименті "дозволили" фотонам світла деякий час затриматися в двоїстому стані, перш ніж перейти до хвильовому станом або станом частинки.
Сет Ллойд (Seth Lloyd), вчений-фізик з Массачусетського технологічного інституту, який не брав участі в експерименті, але займався перевіркою і аналізом отриманих даних, назвав цей експеримент і отримані результати "сміливими" з наукової точки зору. Згідно з його заявою, навіть той факт, що вченим вдалося штучно затримати на кілька наносекунд перехід фотонів до стану частинки або хвилі, це прикордонний стан може ще й не бути двоїстим станом фотонів.