Rewolucyjne podejście z atomami jako szczelinami
Zespół pod kierunkiem Wolfganga Ketterle i Vitalego Fedoseeva postanowił zweryfikować historyczny eksperyment Younga w zupełnie nowy sposób. Zamiast klasycznych szczelin fizycznych, wykorzystali ponad 10 000 pojedynczych atomów schłodzonych do temperatur bliskich zeru absolutnemu. Każdy atom pełnił rolę najmniejszej możliwej szczeliny, przez którą przepuszczano pojedyncze fotony. Geniusz tej metody kryje się w możliwości kontrolowania stopnia “rozmycia” położenia atomów – im słabiej były utrzymywane przez lasery, tym większa niepewność co do ich lokalizacji.
Czytaj także: Światło jest niezwykle chaotyczne. Naukowcy wiedzą już, jak je poskromić
Dzięki tej finezyjnej kontroli naukowcy mogli obserwować, jak zmienia się zachowanie fotonów. Gdy atomy były stabilnie utrzymywane, światło ujawniało swoją falową naturę, tworząc charakterystyczny wzór interferencyjny. Gdy jednak pozwolono atomom na większą swobodę, fotony zachowywały się jak cząstki. Ta przełączalność zachowania wydaje się potwierdzać, że natura światła zależy od kontekstu obserwacji – co brzmi niemal filozoficznie.
Zasada komplementarności zwycięża
Opisywany na początku tekstu spór sięga 1927 roku, gdy Einstein zaproponował sposób na “obejście” mechaniki kwantowej. Jego pomysł zakładał, że pomiar siły oddziaływania fotonu na szczelinę ujawni jego ścieżkę bez niszczenia wzoru interferencyjnego. Bohr ripostował, że sama próba pomiaru nieuchronnie zaburza system. Przez dziesiątki lat teoretycy skłaniali się ku stanowisku duńskiego fizyka, ale cień wątpliwości pozostawał – czy to ograniczenia aparatury, a nie prawa natury, uniemożliwiają równoczesną obserwację?
Rozmycie atomów kluczem do zagadki
Eksperyment MIT rozwiał te wątpliwości. Okazało się, że im dokładniej badacze śledzili drogę światła poprzez pomiar drgań atomów, tym słabszy stawał się wzór falowy. Co istotne, efekt ten wynikał bezpośrednio z kwantowego rozmycia atomów, a nie z niedoskonałości urządzeń. Nawet po wyłączeniu laserów stabilizujących, zasada komplementarności pozostawała nieugięta. Einstein, który mawiał, że “Bóg nie gra w kości”, musiałby chyba uznać przewagę przeciwnika.
Wnioski dla współczesnej fizyki
Opublikowane w Physical Review Letters wyniki potwierdzają, że mechanika kwantowa rządzi się prawdopodobieństwem, nie zaś determinizmem, który tak pociągał Einsteina. Szczególnie wymowne jest to w roku stulecia powstania tej dziedziny. Badania utwierdzają nas w przekonaniu, że:
- Światło faktycznie posiada podwójną naturę
- Jego falowe i cząstkowe właściwości wykluczają się wzajemnie w pomiarze
- W skali kwantowej probabilistyka rządzi się własnymi prawami
Choć odkrycie brzmi jak ostateczne rozstrzygnięcie, warto zachować naukową pokorę. Potwierdzenie zasady komplementarności nie rozwiązuje wszystkich kwantowych paradoksów, a jedynie pogłębia naszą świadomość ich istnienia. Być może prawdziwym zwycięzcą tego stulecia sporu nie jest ani Einstein, ani Bohr, ale sama natura, która wciąż umyka prostym klasyfikacjom.