Padėtas taškas Einšteino ir Boro ginče: mokslininkai atliko dviejų plyšių eksperimentą idealiomis sąlygomis

Dviejų plyšių eksperimentas ir jo variacijos išlieka vienu keisčiausių reiškinių, kurį žmonija yra atradusi tyrinėdama gamtą mokslo metodais, rašo IFLScience. 

1801 m. Thomas Young nukreipė šviesą į ekraną, praleisdamas ją pro du plyšius. 

Tuo metu dar dominavo Izaoko Niutono pasiūlyta korpuskulinė šviesos teorija, pagal kurią šviesa yra be masės dalelių – „korpuskulų“ – srautas.

Tačiau Youngui atlikus eksperimentą, ekrane pasirodė ne tiesiog dvi šviesos dėmės, kaip būtų galima tikėtis iš dalelių, o interferencinis raštas – tarsi šviesa elgtųsi kaip banga, pereinanti per du plyšius ir sukurianti būdingus bangų raštus.

Dviejų plyšių eksperimentas – Einšteino ir Boro ginčas

Šis rezultatas padėjo mokslininkams suvokti šviesos banginę prigimtį. Tačiau kuo giliau jie tyrė reiškinį, tuo paslaptingesnis jis atrodė. 

Vienas įspūdingiausių momentų: jei mėgini nustatyti, pro kurį plyšį šviesa praėjo, interferencinis raštas išnyksta, o vietoj jo atsiranda modelis, būdingas dalelinei elgsenai.

Einšteinas, pelnęs Nobelio premiją už darbą apie fotoelektrinį efektą, kuriame jis parodė, kad šviesa turi dvejopą prigimtį (banga ir dalelė, vadinama fotonu), gerai suprato šį paradoksą ir ilgai ginčijosi su Nielsu Boru.

Einšteinas manė, kad tinkamai sukonfigūruotas eksperimentas – pavyzdžiui, naudojant ekraną su jautriomis spyruoklėmis – leistų nustatyti, pro kurį plyšį praėjo fotonas, nesunaikinant interferencinio modelio.

Borui tai neatrodė įmanoma. Jis rėmėsi Heizenbergo neapibrėžtumo principu, pagal kurį kuo tiksliau žinome dalelės padėtį, tuo mažiau žinome jos impulsą. Taigi bandymas sužinoti dalelės kelią neišvengiamai sunaikina interferenciją.

Deja, Einšteinui, visi vėlesni eksperimentai – įskaitant ir tuos, kuriuose naudotos spyruoklės – parodė: interferencinis raštas išnyksta vos tik nustatomas fotono kelias. 

O dabar, dar vienas smūgis Einšteino idėjai – mokslininkai pakartojo eksperimentą pačia „idealiausia“ forma iki šiol.

Dviejų plyšių eksperimentas šiandien

MIT tyrėjai iš tikrųjų tyrė ultratotus atomus ir tai, kaip šviesos sklaida nuo jų leidžia nustatyti jų savybes.

„Supratome, kad galime kiekybiškai įvertinti, kiek sklaidos elgsena panaši į banginę arba dalelinę. 

Greitai supratome, kad šį požiūrį galime pritaikyti garsiojo eksperimento atkūrimui labai idealizuota forma“, – paaiškino tyrimo pirmasis autorius Vitalijus Fedosejevas.

Eksperimento metu mokslininkai atvėsino daugiau nei 10 000 atomų iki mikrokelvino temperatūrų, sukūrė debesį ir lazerių pagalba išdėstė atomus į kristalą primenančią gardelę. 

Tokioje konfigūracijoje kiekvienas atomas buvo pakankamai nutolęs nuo kitų, kad jį būtų galima laikyti atskira dalelė.

Kai per šį debesį buvo praleistas silpnas šviesos spindulys, jo praėjimas tarp dviejų kaimyninių atomų imitavo praėjimą pro du plyšius – kaip klasikinio Youngo eksperimento atveju.

„Tai, ką padarėme, galima laikyti nauja dviejų plyšių eksperimento variacija. 

Šie atskiri atomai – tai mažiausi įmanomi „plyšiai“, kokius tik įmanoma sukurti“, – sakė fizikos profesorius ir Nobelio premijos laureatas Wolfgangas Ketterle.

Mokslininkai taip pat galėjo reguliuoti, kiek tiksliai atomai laikosi vietoje. Kuo labiau jie „išsisklaidydavo“ (tai yra buvo mažiau fiksuoti erdvėje), tuo labiau reaguodavo į šviesą, ir tuo didesnė tikimybė, kad šviesa pasireikš kaip dalelė, o ne kaip banga.

Išanalizavusi duomenis, surinktus itin jautriu detektoriumi, komanda nustatė, kad šviesos elgesys visiškai atitiko kvantinės mechanikos prognozes. 

Tai dar kartą patvirtino, kad net ir eksperimentas su „idealia“ spyruokle būtų davęs tokį pat rezultatą – ir Einšteinas klydo.

„Daug kur pabrėžiamos spyruoklės. Bet mes parodome, kad esmė ne spyruoklėse, o atomų „išsisklaidymo“ laipsnyje. 

Reikia naudoti gilesnį aprašymą, pagrįstą kvantiniais fotonų ir atomų koreliacijų ryšiais“, – pabrėžė Fedosejevas.