W fizyce istnieją eksperymenty, które od dekad są źródłem niekończących się dyskusji. Jednym z nich jest słynny eksperyment Younga, po raz pierwszy przeprowadzony w 1801 roku. Jego sedno polega na tym, że światło wykazuje jednocześnie cechy cząstki i fali, ale – co kluczowe – nigdy równocześnie.
Wyobraź sobie, że kierujesz strumień światła przez ekran z dwoma szczelinami. Intuicyjnie można by oczekiwać, że za ekranem pojawią się dwie jasne plamy, odpowiadające miejscom, przez które przeszło światło. Jednak efekt jest zupełnie inny. Na ekranie pojawiają się naprzemienne jasne i ciemne prążki – wzór interferencyjny, charakterystyczny dla fal. Gdy jednak próbujemy zmierzyć, przez którą szczelinę przechodzi pojedynczy foton, wzór zanika. Światło nagle zachowuje się jak strumień cząstek. Dualna natura światła od niemal stu lat budzi fascynację fizyków.
Prawie sto lat temu dwaj giganci fizyki, Albert Einstein i Niels Bohr, starli się w dyskusji na temat interpretacji tego eksperymentu. Einstein argumentował, że foton powinien przechodzić przez jedną ze szczelin, delikatnie poruszając nią – podobnie jak ptak, który przelatując obok liścia i wprawia go w ruch. Einstein wierzył, że można byłoby wykryć tę subtelną siłę, zachowując jednocześnie wzór interferencyjny. Bohr był odmiennego zdania. Według tego drugiego, zgodnie z zasadą nieoznaczoności, każda próba zmierzenia drogi fotonu niszczyłaby interferencję. Historia przyznała rację Bohrowi – aż do dziś nikt nie wykazał błędu w jego rozumowaniu.
Zespół fizyków z MIT postanowił wykonać najbardziej "czystą" wersję eksperymentu z podwójną szczeliną. Zamiast klasycznych szczelin użyli pojedynczych atomów schłodzonych niemal do zera absolutnego, zawieszonych w precyzyjnie kontrolowanej siatce optycznej. Każdy z atomów zachowywał się jak izolowana, idealna szczelina. Następnie wysyłali w ich kierunku słabe strumienie światła, złożone z pojedynczych fotonów. Dzięki temu mogli badać, jak pojedynczy foton oddziałuje z atomami – jak fala, czy jak cząstka.
Kluczową rolę odegrała tutaj "rozmycie" atomów. Regulując intensywność lasera, który utrzymywał atomy na miejscu, naukowcy zmieniali precyzję ich lokalizacji. Im bardziej atom był "rozmyty", tym łatwiej foton pozostawiał na nim ślad swojej drogi – foton zachowywał się wówczas bardziej jak cząstka. Wyniki dokładnie potwierdziły przewidywania teorii kwantowej: im więcej informacji o drodze fotonu uzyskiwano, tym słabszy stawał się wzór interferencyjny.
Najbardziej interesująca część eksperymentu dotyczyła słynnej analogii Einsteina o szczelinach zawieszonych na sprężynach. Einstein sądził, że sprężyny – symbolizujące delikatne przesunięcie szczeliny – powinny pozwolić na jednoczesną obserwację natury falowej i cząsteczkowej światła. Zespół z MIT, eliminując owe "sprężyny" (w ich przypadku – laser stabilizujący pozycję atomów), odkrył coś zaskakującego: nie było żadnej różnicy. To oznacza, że rolę "sprężyn" odgrywała wyłącznie kwantowa nieoznaczoność pozycji atomów, a nie mechaniczny element samego układu.
Tym samym Einstein to miał rację, ale tylko częściowo: jego intuicja była trafna, lecz zaproponowany przez niego mechanizm okazał się błędny. Ważne jest nie fizyczne drganie szczelin, lecz kwantowa interakcja między fotonami a atomami. Eksperyment z MIT jest dowodem na subtelność owej różnicy.
Eksperyment otwiera nam drzwi do jeszcze ciekawszych doświadczeń mówiących nam, jak naprawdę działa natura na poziomie kwantowym. W świecie, w którym superpozycje i splątania są codziennością laboratoriów fizycznych, precyzyjne testowanie fundamentalnych idei z początków XX wieku nabiera szczególnego znaczenia. Co więcej, fakt, że wyniki te pojawiły się dokładnie w roku ogłoszonym przez ONZ Międzynarodowym Rokiem Nauki i Technologii Kwantowej, dodaje im symbolicznego wymiaru.
Czytaj również: Odkryli gazowego olbrzyma w kosmosie. Wszystko dzięki Einsteinowi
Einstein i Bohr nie mogli przewidzieć, że ich spór doczeka się tak eleganckiego rozstrzygnięcia w tak idealnych warunkach. Fizyka zaskakuje nas niezmiennie — i to nawet w kontekście badań wykonywanych nawet ponad 200 lat wcześniej.
Grafika w tekście: Aninda Sinha, Aravind H. Vijay & Urbasi Sinha, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
