Принцип додатковості Нільса Бора отримав нове експериментальне підтвердження після квантового досліду, проведеного в Китаї. Фізики відтворили уявний експеримент Альберта Ейнштейна 1927 року та перевірили, чи можна одночасно зафіксувати хвильові й корпускулярні властивості частинки. Результати підтвердили позицію Бора, повідомляє Phys.
Суперечка Бора та Ейнштейна
Дискусія між Альбертом Ейнштейном і Нільсом Бором стала однією з ключових у становленні квантової механіки. Під час Сольвеївської конференції в Брюсселі у 1927 році Ейнштейн поставив під сумнів повноту квантової теорії, заявивши: «Бог не грає в кості з Всесвітом».
Він запропонував варіацію експерименту з двома щілинами. До класичної схеми було додано рухому одиничну щілину, чутливу до імпульсу частинок. На думку Ейнштейна, це дозволило б одночасно визначити і траєкторію частинки, і наявність інтерференції — тобто продемонструвати і корпускулярні, і хвильові властивості.
Бор заперечував, вказуючи, що точне вимірювання імпульсу неминуче призведе до невизначеності положення. Це, своєю чергою, зруйнує інтерференційну картину. Такий підхід узгоджується з принципом невизначеності Гейзенберга та принципом додатковості, згідно з яким деякі квантові властивості не можна виміряти одночасно.
Як експеримент відтворили у XXI столітті
Дослідження провели вчені з Китайського університету науки і технологій під керівництвом фізика Цзянь-Вей Пана. Вони реалізували експериментальну схему, максимально наближену до тієї, яку запропонував Ейнштейн.
У сучасному досліді роль частинки виконував фотон, а «щілиною» став окремий атом рубідію, зафіксований в оптичному пінцеті. Імпульси фотона та атома були квантово заплутані, що дозволило дослідникам контролювати ступінь невизначеності.
Змінюючи глибину пастки оптичного пінцета, вчені регулювали імпульсну невизначеність атома. Це безпосередньо впливало на чіткість інтерференційних смуг. Чим точніше визначався імпульс, тим менш виразною ставала інтерференційна картина — саме так, як передбачав Бор.
Технічні виклики та результати
Однією з проблем під час експерименту стало нагрівання атома через дрейф лазерної частоти. Команда скоригувала цей ефект за допомогою раманівської спектроскопії в режимі реального часу, що дозволило точно визначати залишкову температуру атома.
У статті, опублікованій у журналі Physical Review Letters, автори зазначили, що «видимість інтерференції Ейнштейна-Бора визначається ступенем квантової заплутаності» між фотоном і атомом.
Дослідники також вивчили межу між квантовим і класичним режимами руху атома, що має значення для розуміння переходу від квантової фізики до класичної механіки.
Значення дослідження
Попри те, що принцип додатковості вже неодноразово підтверджувався, відтворення уявного експерименту Ейнштейна має особливу наукову вагу. Воно демонструє, що навіть у максимально «вигідній» для критики схемі квантова механіка зберігає внутрішню узгодженість.
Надалі китайські фізики планують глибше дослідити квантову заплутаність за допомогою томографії, а також поступово збільшувати масу «щілини», щоб з’ясувати, як змінюється поведінка системи на межі квантового та класичного світу.
Попередні дослідження
Раніше фізики Массачусетського технологічного інституту також відтворили експеримент із подвійною щілиною, використавши масив із 10 тисяч охолоджених атомів. Тоді було підтверджено, що світло неможливо спостерігати як хвилю і частинку одночасно.
Новий експеримент у Китаї став ще одним підтвердженням правоти Нільса Бора у його давній суперечці з Альбертом Ейнштейном та зміцнив експериментальні основи квантової механіки.
Принцип доповнюваності: коротка довідка
Принцип доповнюваності — один із фундаментальних принципів квантової механіки, сформульований данським фізиком Нільс Бор у 1927 році. Він стверджує, що квантові об’єкти мають взаємодоповнювальні властивості, які не можна спостерігати або виміряти одночасно в межах одного експерименту.
Суть принципу
У класичній фізиці вважалося, що об’єкт має визначені властивості незалежно від спостереження. Однак у квантовій механіці ситуація інша: спосіб вимірювання впливає на те, яку саме властивість ми можемо зафіксувати.
Найвідоміший приклад — хвильово-корпускулярний дуалізм. Світло та елементарні частинки (наприклад, електрони чи фотони) можуть проявляти як хвильові, так і корпускулярні властивості. Проте:
-
якщо експеримент налаштований на спостереження хвильових характеристик (інтерференція), частинка поводиться як хвиля;
-
якщо вимірюється траєкторія або імпульс, вона проявляє себе як частинка.
Обидві картини є правильними, але вони взаємно виключають одна одну в межах одного вимірювання. Саме це і називається доповнюваністю: різні експериментальні установки дають різні, але взаємодоповнювальні описи одного й того ж явища.
Зв’язок із принципом невизначеності
Принцип доповнюваності тісно пов’язаний із принципом невизначеності, сформульованим Вернер Гейзенберг. Згідно з ним, неможливо одночасно точно виміряти, наприклад, положення та імпульс частинки.
Якщо експеримент дозволяє точно визначити одну величину, інша стає невизначеною. Це не технічне обмеження приладів, а фундаментальна властивість природи на квантовому рівні.
Історичний контекст
Принцип доповнюваності був сформульований під час дискусій між Нільсом Бором і Альберт Ейнштейн на Сольвеївських конференціях у 1920-х роках. Ейнштейн критикував квантову механіку як неповну теорію, тоді як Бор наполягав, що її ймовірнісна природа є фундаментальною.
Ці дискусії стали основою так званої «копенгагенської інтерпретації» квантової механіки, одним із ключових положень якої є саме принцип доповнюваності.
Значення для сучасної науки
Принцип доповнюваності:
-
лежить в основі розуміння квантових експериментів (зокрема досліду з подвійною щілиною);
-
пояснює, чому квантові системи не можна описати однозначно в термінах класичної фізики;
-
має практичне значення для розвитку квантових технологій, зокрема квантових комп’ютерів та систем квантового зв’язку.
Таким чином, принцип доповнюваності є одним із ключових концептів, що визначають сучасне розуміння мікросвіту і відрізняють квантову фізику від класичної механіки.
