Istorinis eksperimentas paneigia Einšteino prielaidą: triuškinantis atsakymas, kurio Einšteinas nenorėjo išgirsti

Šis eksperimentas yra svarbus ne tik moksline, bet ir istorine prasme. Jis tiesiogiai susijęs su prieš beveik šimtą metų vykusia žymia fizikos diskusija tarp dviejų garsiausių XX amžiaus fizikų. Alberto Einsteino ir Nielso Bohro. Būtent Bohras tuomet teigė, kad bandant stebėti vieną šviesos savybę, kita neišvengiamai išnyksta. 

Naujasis eksperimentas šį požiūrį vėl patvirtino, o tuo pačiu paneigė Einšteino hipotezę, jog būtų įmanoma tuo pat metu stebėti ir banginį, ir dalelinį šviesos elgesį. Dvigubo plyšio eksperimentas pirmą kartą atliktas dar XIX amžiuje. Jo esmė yra šviesos spindulys nukreipiamas per dvi gretimas siauras angas, o už jų esantis ekranas rodo šviesos elgseną. Jei šviesa būtų tik dalelės, užfiksuotume dvi šviesos dėmes. 

Tačiau realybėje pasirodo šviesos ir šešėlių juostos, vadinamos interferenciniu raštu, kurios yra bangų savybė. Visgi vos tik pabandžius nustatyti, per kurį plyšį šviesa praėjo, bangų raštas dingsta šviesa ima elgtis kaip dalelė. Tai įrodo, kad šviesa negali būti stebima kaip banga ir dalelė vienu metu.

MIT fizikai sugebėjo šį eksperimentą išgryninti iki paties kvantinio esmės lygmens. Jie nenaudojo jokių tradicinių spyruoklinių įtaisų, kurie anksčiau padėdavo fiksuoti fotono kelią. Vietoj to jie pasinaudojo atomų padėties netikslumu, vadinama kvantine neapibrėžtimi, kad nustatytų, kiek informacijos galima gauti apie fotono kelią, nepažeidžiant banginio elgesio.

Ultrasšalti atomai ir fotonai, naujas eksperimentavimo lygis

Norėdami sukurti tinkamą sąlygą eksperimentui, mokslininkai atšaldė daugiau nei dešimt tūkstančių atomų iki mikrokelvino temperatūros. Tada jie išdėstė šiuos atomus lazerių spinduliais sudarytoje kristalinėje gardelėje. 

Tokia gardelė užtikrina, kad kiekvienas atomas būtų pakankamai nutolęs nuo kaimyninio ir galėtų būti laikomas nepriklausomu kvantiniu plyšiu. Ši struktūra leido stebėti, kaip pavieniai fotonai sklinda per du atomus ir atsispindi nuo jų, taip atkartojant klasikinę dviejų plyšių schemą.

Fotono elgesį fiksavo itin jautrūs detektoriai, kurie galėjo užregistruoti vos vieną šviesos sąveikos su atomu įvykį. Eksperimento metu komanda manipuliavo atomų padėties neapibrėžtumu, keisdama lazerio šviesos intensyvumą. 

Kuo laisviau atomas buvo laikomas, tuo labiau jis „drebėjo“ kvantiniu požiūriu ir tuo daugiau informacijos jis galėjo suteikti apie fotono trajektoriją. Taip buvo įmanoma valdyti, kaip dažnai fotonas pasirodys kaip banga, o kaip dalelė.

Einsteino idėjos testavimas be spyruoklių

Vienas iš eksperimentinių iššūkių buvo atlikti testą be vadinamųjų spyruoklių, kurias Einšteinas kadaise įsivaizdavo kaip būdą aptikti fotono poveikį plyšiui. Pagal jo idėją, jei kiekvienas plyšys būtų tarsi plona popieriaus plokštelė, pakabinta ant spyruoklės, tai pro ją praskriejęs fotonas šiek tiek ją pajudintų. 

Tokį judesį galima būtų išmatuoti ir nustatyti, pro kurį plyšį fotonas praėjo, tuo pat metu stebint ir interferenciją. Tačiau MIT fizikai parodė, kad galima išsiversti ir be tokių konstrukcijų. 

Jie laikinai išjungdavo lazerį, kuris laikė atomus vietoje, ir išmatavo jų padėtį vos per milijoninę sekundės dalį kol atomai dar nebuvo spėję nukristi veikiami gravitacijos. Tokiu būdu atomai trumpam atsidūrė laisvoje būsenoje, bet rezultatai liko tokie patys. Tai įrodo, kad spyruoklės nėra būtinos, o svarbiausias veiksnys yra kvantinis neapibrėžtumas.

Svarbus indėlis kvantinių mokslų šimtmečiui

Šis eksperimentas tapo ne tik pažangiu mokslo pasiekimu, bet ir simboliniu įvykiu, nes 2025-ieji paskelbti tarptautiniais kvantinės fizikos metais, minint šimtmetį nuo šios srities atsiradimo. Diskusija tarp Bohro ir Einšteino dėl šviesos prigimties vyko vos porą metų po kvantinės teorijos gimimo. 

Todėl šis eksperimentas tapo savotišku užbaigimu šimtmetį trukusiam moksliniam ginčui, aiškiai parodęs, kad kvantinė realybė remiasi ne mūsų intuityviais įsivaizdavimais, o subtiliomis ir sudėtingomis sąveikomis tarp šviesos ir materijos.

MIT komanda tikisi, kad šis tyrimas taps pagrindu dar tikslesniems kvantinės elgsenos stebėjimams ir padės sukurti naujus eksperimentinius metodus, leidžiančius gilintis į pačius kvantinės tikrovės pagrindus. Tai dar kartą primena, jog net ir po šimto metų kvantinė fizika vis dar išlieka kupina paslapčių, o žmogaus pastangos jas atskleisti neblėsta.