Квантовая механика утверждает, что объекты могут вести себя и как частицы, и как волны. Однако увидеть оба состояния одновременно невозможно. Это ограничение называют принципом дополнительности. В 1927 году Альберт Эйнштейн поспорил с Нильсом Бором и предложил способ обойти этот запрет.
На знаменитой Сольвеевской конференции Эйнштейн придумал мысленный эксперимент с двумя щелями, через которые пролетает частица света — фотон. Если одна из щелей будет подвижной, она должна отшатнуться при ударе фотона, как при ударе по бильярдному шару.
Эйнштейн считал, что измерение этого отскока укажет точный путь частицы и тем самым принцип дополнительности будет нарушен. При этом на экране останется волновой узор — интерференционная картина. Так ученый надеялся сохранить и знание о траектории, и волновые свойства света.
Бор возразил оппоненту. Он доказал, что если измерить отскок щели достаточно точно для определения пути, то сама щель потеряет определенность положения согласно принципам квантовой механики. Это неизбежно размоет волновой узор на экране. Долгое время проверить этот спор на практике не удавалось. Чтобы заметить удар невесомого фотона, «щель» должна быть невероятно легкой. Любое макроскопическое зеркало слишком тяжелое для столь тонких эффектов.
Теперь команда исследователей решила эту задачу с помощью лазерных технологий. Авторы работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, заменили механическую щель отдельным атомом рубидия-87.
Физики поймали атом в ловушку из сфокусированного лазерного луча — оптический пинцет. Затем рубидий охладили почти до абсолютного нуля. В таких условиях тепловое движение замирает, атом переходит в основное состояние. Импульс его движения становится сопоставим с неуловимым импульсом одного фотона. Это превратило атом в идеальный сверхчувствительный детектор.
В эксперименте фотон налетал на атом и рассеивался. Если фотон отталкивался от «щели», атом получал импульс отдачи. Ученые меняли настройки лазерной ловушки и регулировали, насколько жестко свет удерживает рубидий на месте. Глубину ловушки варьировали от 0,6 почти до 10,5 милликельвина.
Выяснилось, что поведение системы полностью зависит от жесткости фиксации атома. Когда ловушка была «мягкой», атом свободно двигался и легко отскакивал при ударе фотона. Это позволяло приборам узнать, по какой траектории полетела частица света. Но в этом случае волновая картина на детекторах пропадала. Запутанность между движением атома и фотона разрушала интерференцию.
При жесткой фиксации атом почти не смещался. Его неопределенность импульса возрастала, и определить путь фотона становилось невозможно. Зато на экране четко проступали полосы интерференции. Частица света вновь вела себя как волна. Промежуточные настройки ловушки позволили наблюдать плавный переход между этими двумя режимами, как бы переключая свет из состояния частицы в состояние волны.
Воплощенный мысленный эксперимент Эйнштейна поставил точку в вековом споре: он полностью совпал с теоретическими предсказаниями Бора. Как только атом‑»щель» хранил информацию о пути, квантовая интерференция исчезала, а когда информация о пути терялась, полосы возвращались.
Физики доказали, что даже идеальный измерительный прибор не может обмануть природу. Получение информации о пути частицы всегда происходит за счет утраты ее волновых свойств.