Результаты нового исследования показали, что свет ведет себя как волна и частица не только в пространстве, но и во времени.

Один из самых странных и известных экспериментов в физике – двухщелевой эксперимент, лучше прочих иллюстрирует таинственную природу квантовой механики. Все потому, что свет, воспринимаемый нами как нечто обыденное, может вести себя и как частица и как волна одновременно, что удалось подтвердить экспериментальным путем в 2021 году.

Однако первым на этот необычный феномен обратил внимание английский физик и математик Томас Юнг в 1801 году, когда заметил, что при сложении звуковых волн происходит ослабление и усиление звука. Предположив, что свет подобен звуку, Юнг решил провести эксперимент, в ходе которого направил пучок света на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого был установлен еще один, проекционный экран.

Ширина прорезей, при этом, была приблизительно равна длине волны излучаемого света. Результатом эксперимента стала интерференционная картина, которая демонстрирует, что фотон как будто проходит через обе щели одновременно. Недавно, однако, ситуация усложнилась – изменения, внесенные физиками в классический опыт Юнга, показали, что поведение фотонов меняется в зависимости от… времени.

Классический опыт Юнга

Прежде чем перейти к увлекательным результатам исследования, опубликованного в журнале Nature Physics, обратимся к классическому эксперименту Юнга, а также вспомним основные принципы квантовой механики. Так, по мнению автора этой статьи, читателю будет проще разобраться в происходящем.

Начнем с того, что споры о природе света в академических кругах велись с 18 века. Исаак Ньютон, например, считал, что свет состоит из потока частиц, а голландский физик и астроном Кристиан Гюйгенс, напротив, называл свет волнами, вибрирующими в некоем подобии эфира. Эти догадки основывались на волновой природе звуковых волн, которые распространяются по изогнутым трубам, огибая углы, в отличие от света. Более того, Ньютон заметил, что в воде скорость света менялась, что заставило его привнести в свою теорию необъяснимую силу, способную объяснить это странное явление.

Исаак Ньютон был убежден, что свет – это частица, а не волна

Так как в те годы молодой ученый пользовался большой популярностью, оспорить его теорию никто не решался вплоть до 1801 года. Тогда, как упоминалось выше, Томас Юнг впервые наблюдал интерференцию. Причиной, по которой этот эрудированный ученый с опытом в разных областях науки, включая медицину, заинтересовался светом, стала препарация бычьего глаза, во время которой он размышлял о том, как глаза фокусируются на объектах на разных расстояниях. Впоследствии Юнг предложил теорию цветового зрения.

Юнг также восхищался Ньютоном, однако к 1800 году заметил кое-что неладное в корпускулярной теории. Так, свет вел себя по-разному между воздухом и водой – одна его часть отражалась, а вторая преломлялась, что невозможно объяснить теорией Ньютона. Чтобы разобраться в происходящем, Юнг, как и его предшественники, обратился к звуку, заметив, что при пересечении двух звуковых волн, они интерферируют друг с другом. Со временем физик начал понимать, что явление интерференции может быть применимо и к свету.

Напомню, что интерференция возникает, когда два набора волн накладываются друг на друга. Ранее я рассказывала о результатах эксперимента, который показал, что квантовая запутанность существует между разнородными частицами.

Свет не так прост, как кажется

В 1801 году, размышляя над экспериментами Ньютона, Юнг выдвинул основную идею знаменитого эксперимента, однако его результаты впоследствии были раскритикованы академическим сообществом. Установка, предложенная Юнгом, в дальнейшем использовалась для демонстрации волновой природы света и способности электронов вести себя как волны и создавать интерференционные картины.

Ситуация изменилась многим позже благодаря становлению квантовой механики, когда физики (во многом благодаря опыту Юнга) перестали сомневаться в двойственной природе света, который, как мы знаем, может вести себя и как волна и как частица одновременно.

Становление квантовой механики

< Квантовая физика изучает устройство мира на микроскопическом уровне. В отличие от классической физики, сосредоточенной на исследовании макромира (включая космос и небесные тела), эта область исследований сконцентрирована на атомах – крошечных кирпичиках мироздания, увидеть которые невооруженным глазом невозможно. Но это – лишь малая часть странностей, встречающихся на пути ученых.

Учитывая специфический характер квантовой механики, ее основателями были многие выдающиеся ученые, включая физика-теоретика Макса Планка, «отца» атома Нильса Бора, создателя Общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, физика Вернера Гейзенберга и многих других знаменитых деятелей науки. Все потому, что разобраться в происходящем было невероятно сложно.

Перед вами первый в истории снимок света и как волны, и как частицы. Фото сделано в лаборатории Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) в Федеральной политехнической школе Лозанны

И все же первенство в создании современной квантовой теории принадлежит немецкому физику Максу Планку, который опубликовал новаторское исследование, продемонстрировав, что энергия в определенных ситуациях может проявлять характеристики физической материи. Отметим, что в те годы энергия считалась исключительно непрерывным волнообразным явлением, независимым от характеристик физической материи.

Теория Планка, напротив, утверждала, что энергия состоит из компонентов, похожих на частицы или “кванты”. Его работа помогла разрешить ранее необъяснимые природные явления, включая поглощение света на атомном уровне, за что в 1918 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.

Затем Эйнштейн, Бор, Луи де Бройль, Шредингер и Дирак развили теорию Планка, подарив миру квантовую механику – математическое приложение квантовой теории, согласно которому энергия является одновременно и материей и волной и зависит от рядя переменных. Таким образом, квантовая механика придерживается вероятностного взгляда на устройство мироздания, что сильно отличается от механики классической, в которой все точные свойства объектов поддаются вычислению.

Перед вами фото, сделанное в 1927 году в ходе V Сольвеевского конгресса. Все 29 участников до неузнаваемости изменили мир.

Сегодня квантовая механика и теория относительности являются основой современной физики и… ее главной проблемой.

Как квантовая механика изменила мир?

Сегодня о «таинственной» квантовой физике не слышал разве что ленивый, так как ее используют для объяснения самых разных и даже не существующих явлений. Что неудивительно, ведь вряд ли в мире найдется ученый, который полностью понимает устройство Вселенной на микроуровне. Квантовая механика, тем не менее, окончательно и бесповоротно изменила мир, способствуя развитию и становлению современной цивилизации. Чтобы внести некоторую ясность и обосновать громкие заявления, перечислим основные достижения этой научной дисциплины.

Вы читаете эту статью благодаря квантовой механике

Компьютерные чипы питают и приводят в действие настольные компьютеры, ноутбуки, планшеты, смартфоны и даже мелкую бытовую технику. Без детального понимания квантовой природы материи создать их было бы невозможно.

Лазеры – это генераторы и усилители когерентного излучения в оптическом диапазоне

Ключевой принцип лазера описан Эйнштейном в 1917 году в работе о статистике фотонов (хотя сам термин был введен позже) и их взаимодействии с атомами. Результатом этого взаимодействия является индуцированное (или когерентное) излучение, при котором оба фотона грубо говоря «клонируют» друг друга, т. е. имеют одинаковые частоту, фазу и направление.

Каждый раз, когда вы пользуетесь смартфоном, чтобы добраться из пункта А в пункт Б, благодарите за него квантовую механику

Для точной и синхронизированной работы спутниковой системы, в каждый из них встроены атомные часы, работающие благодаря принципам квантовой механики. «Тиканье» часов – это колебание микроволн, которое приводит к переходу между двумя определенными квантовыми состояниями в атоме цезия (или рубидия, в некоторых часах).

• Компьютеры и смартфоны – это ярчайший пример того, что подарила миру квантовая механика. Все потому, что работа современной электроники на основе полупроводников зависит от волновой природы электронов. И поскольку мы понимаем эту волновую природу, то можем манипулировать электрическими свойствами кремния для создания компьютерных чипов: получить их можно смешивая крошечные доли необходимых элементов друг с другом.
• Лазеры и телекоммуникации: в классических волоконно-оптических телекоммуникациях, используемых для передачи сообщений по волоконно-оптическим кабелям, источниками света являются квантовые устройства – лазеры. Да-да, каждый раз, когда вы делаете телефонный звонок, то прямо или косвенно используете лазер, или, если хотите, саму квантовую физику.
• С помощью навигационных систем GPS, подключенных к Интернету, можно проложить путь в любое незнакомое место. Все потому, что навигацию на смартфонах обеспечивает глобальная система позиционирования – сеть спутников, каждый из которых передает сигнал, принимаемый GPS-навигатором, определяющим местоположение с точностью до нескольких метров. Работа GPS основана на постоянной скорости света для преобразования времени в расстояние.

Удивительно, правда? Несмотря на то, что квантовая физика загадочна и непостижима, представить повседневную жизнь без нее попросту невозможно.

Современный опыт Юнга

Томас Юнг провел свой знаменитый эксперимент без малого 222 года назад. По этой причине современный опыт выглядит несколько иначе – физики пропускают излучение отдельных частиц света или материи через две щели или отверстия, вырезанные в непрозрачном барьере. По другую сторону барьера находится экран, который регистрирует прибытие частиц.

Результат эксперимента, несмотря на модернизацию, не меняется: вместо того, чтобы пройти через ту или иную щель и накапливаться за каждой из них, фотоны переходят в определенные части экрана и избегают друг друга, что приводит к созданию чередующихся полос света и тьмы, то есть к интерференции. Так, однако, происходит не всегда – оказалось, что в любой момент времени через аппарат проходит только один фотон.

Поведение фотонов меняется когда мы просто наблюдаем за ходом эксперимента. Реальность намного сложнее, чем кажется.

Это кажется нелогичным, но если посмотреть на фотон с математической точки зрения, приняв его за волновую функцию (абстрактную математическую функцию, представляющую состояние фотона/его местоположение), как все встает на свои места. Дело в том, что волновая функция ведет себя как волна а значит фотон попадает в обе щели. В результате новые волны исходят из каждой щели с другой стороны, распространяются и мешают друг другу.

Таким образом мы можем сформулировать основную идею эксперимента с двумя щелями – даже если пропускать фотоны через обе щели по одному за раз, то он все равно будет вести себя как волна, создавая интерференционную картину. Вот только эта волна – вероятность, поскольку ученые не знают, через какую из двух щелей пройдет тот или иной фотон. Проблема заключается в том, что когда ученые пытаются определить какой именно фотон проходит через конкретную щель, интерференционная картина не возникает (что бы ученые не делали).

Эксперимент с отложенным выбором

Отметим, что в квантовой механике существует целый ряд классических двухщелевых экспериментов, включая эксперимент «с отложенным выбором» (так называемый «квантовый ластик с отложенным выбором»). Несмотря на странное название, идея достаточно проста – испускаемые лазером фотоны попадают на двухщелевую пластину, за которой находится нелинейный оптический кристалл, который разбивает один фотон на пару запутанных фотонов (подробнее прочитать об этом явлении можно здесь).

Цель эксперимента заключается в формировании стандартной интерференционной картины, которую должен создать один из фотонов, а его «партнер» – направиться к детектору. Этого, однако, не происходит: даже если второй фотон можно обнаружить после того, как первый попадает на экран, интерференционный картины не возникает.

Классический опыт Юнга, описание

Теоретически это означает, что наблюдение за фотоном может изменить события, которые уже произошли. Вот только как именно все это работает по-прежнему неизвестно, а значит перед нами одна из величайших загадок квантовой механики.

Как свет ведет себя во времени и пространстве?

Не прекращая попытки установить причину странного поведения фотонов, физики из Имперского колледжа Лондона опубликовали результаты инновационной работы в журнале Nature Physics, продемонстрировав, что опыт Юнга справедлив не только в отношении пространства, но и времени. В первоначальном эксперименте световые волны проходили через узкие промежутки в физическом пространстве, но в новой вариации физики использовали специальный материал, меняющий степень отражения света.

Когда на тонкий слой оксида индия – электропроводящего прозрачного материала, который регулярно используется в сенсорных экранах смартфонов – попадает интенсивный лазерный импульс, то он на крошечную долю секунды становится зеркалом. Этот материал, как говорится в работе, чрезвычайно быстро меняет свою отражательную способность, что сравнимо с частотой колебаний света.

Если бы вся история Вселенной от Большого взрыва до момента, когда вы читаете эту статью, длилась секунду, колебание света было бы равнозначно одному дню. Скорость переключения зеркал-щелей оказалась феноменальной — считаные фемтосекунды, – объясняет ведущий автор статьи Ромен Тироль.

Группе физиков удалось воссоздать двухщелевой эксперимент, который доказал волновую природу света во времени.

Если говорить совсем просто, то физики смогли наблюдать процессы интерференции света во времени – после прохождения щелей световые волны то усиливали, то гасили друг друга (точно так же, как это происходит в классическом эксперименте Юнга). Однако на этот раз интерференция происходила на шкале времени.

Таким образом, 222 года спустя, ученые доказали, что свет ведет себя как частица и волна не только в пространстве, но и во времени.

Мы также узнали о существовании более точных способов измерения оптического отклика среды, а результаты исследования в будущем могут привести к созданию новых вычислительных технологий и спектроскопии (что пригодится при изучении черных дыр и других астрофизических явлений). Помимо теоретической и концептуальной ценности, подобные эксперименты продолжают служить источником новых знаний и проводятся для разных типов волн, включая электронные, звуковые и др.

Только представьте какое влияние новое открытие может оказать на вычислительную мощность квантовых компьюетров

Мы также не можем исключать и других последующих открытий, к которым сегодня никто не решается приступить. В конечном итоге мы слишком мало знаем о природе Вселенной, в которой неизученных областей намного больше, чем можно себе представить.

источник