Отдача фотона, которую невозможно было измерить сто лет: теперь её увидели

Почти сто лет спор Эйнштейна и Бора о квантовом мире оставался символом того, как далеко могут зайти фундаментальные вопросы о природе реальности. Теперь у физиков появился эксперимент, который повторяет ключевой ход того давнего мысленного "поединка" в лаборатории — на пределе чувствительности.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Квантовая реальность

Результат выглядит как прямое подтверждение принципа дополнительности, на котором настаивал Бор. Об этом сообщает South China Morning Post.

Что именно пытался доказать Эйнштейн в 1927 году

В основе истории — знаменитая схема двойной щели. Если через "двойную щель" пропускать квантовые объекты по одному (например, фотоны), на экране всё равно появляется интерференционная картина — как будто летит волна. Но если экспериментатор получает информацию о том, через какую щель прошёл объект, интерференция исчезает, и поведение становится "частичным".

Эйнштейн считал, что можно обойти эту взаимную исключаемость. Его идея выглядела элегантно: сделать одну из щелей подвижной и сверхлёгкой, чтобы она "чувствовала" крошечный импульс пролетающего фотона. Тогда, думал он, можно узнать путь фотона и при этом сохранить интерференцию — то есть "поймать" одновременно и частицу, и волну.

Почему раньше это было недостижимо

Загвоздка в масштабе. Импульс одного фотона настолько мал, что в XX веке было практически невозможно создать "щель-датчик", которая и отреагирует на этот толчок, и не внесёт в систему неконтролируемые шумы. В результате дискуссия долго оставалась в учебниках как образцовый пример: формально красиво, но технически не проверяется "как есть".

Прогресс пришёл не из "идеальных пружин", а из квантовых технологий: лазерных ловушек, охлаждения атомов и интерферометрии, где уже можно управлять движением одиночных частиц почти на уровне квантового предела.

Как китайская команда перенесла спор в лабораторию

Исследователи из Университета науки и технологии Китая (USTC) использовали исключительно чувствительный интерферометр на одиночном атоме. В роли "подвижной щели" выступил одиночный атом рубидия, помещённый в оптическую ловушку (оптический пинцет) и охлаждённый до состояния, близкого к основному по движению.

В такой конфигурации квантовая неопределённость импульса атома становится сопоставимой с импульсом одиночного фотона — то есть система оказывается достаточно "тонкой", чтобы чувствовать отдачу и при этом оставаться контролируемой. 

Дальше начинается самое важное: экспериментаторы могли менять, насколько "свободным" является этот атом-элемент.
• Когда удерживающее поле ослабляли, атом начинал слабее фиксироваться и мог регистрировать импульс отдачи — появлялась возможность получить информацию о пути, а интерференция "размывалась" или исчезала.
• Когда фиксацию усиливали, атом переставал давать полезный сигнал о траектории — и интерференционная картина возвращалась.

Ровно такую цену знания и описывает принцип дополнительности Бора: попытка измерить "какой путь" неизбежно разрушает волновой аспект, а восстановление интерференции возможно лишь тогда, когда путь снова становится принципиально неразличимым.

Что именно "подтвердили" и почему это важно

По словам экспертов Американского физического общества, смысл сводится к управляемому компромиссу: можно "крутить ручку" условий так, чтобы плавно менять чёткость интерференционных полос и степень доступной информации о пути, но нельзя сделать так, чтобы и то и другое одновременно стало максимальным. Любая попытка выжать больше сведений о траектории ведёт к изменению состояния системы — и это не недостаток приборов, а свойство самой квантовой реальности. 

Здесь полезно уточнение: речь не о "победе в философском споре", а о том, что технически реализована версия "отдачи щели" в максимально чистом виде и с настраиваемыми параметрами — то, чего не хватало прежним попыткам приблизиться к мысленному эксперименту Эйнштейна.

Сравнение: подход Эйнштейна и подход Бора

1. Логика Эйнштейна: если сделать измеритель достаточно деликатным, можно узнать путь фотона без разрушения интерференции. Это ставка на то, что проблему создаёт грубость приборов.

2. Логика Бора: дело не в грубости, а в принципиальной взаимной исключаемости наблюдаемых характеристик. При попытке измерить "путь" меняется доступность фазовой информации, и интерференция неизбежно деградирует. 

3. Экспериментальный итог: система ведёт себя так, как предсказывает дополнительность — чем больше "which-path", тем меньше интерференции, и наоборот.

Плюсы и минусы такого эксперимента для науки

Этот результат важен не только как красивая иллюстрация "классического спора", но и как демонстрация того, насколько далеко дошёл контроль над одиночными квантовыми объектами. При этом полезно видеть обе стороны.

• Плюсы:
. лабораторная реализация почти "учебникового" мысленного эксперимента на квантовом пределе; 
. тонкая настройка условий, позволяющая наблюдать непрерывный переход между режимами; 
. укрепление связи между фундаментальной физикой и технологиями (оптические ловушки, охлаждение, высокоточные измерения).

• Минусы:
. результаты легко упростить до лозунга "Эйнштейн проиграл", хотя речь о конкретном сценарии измерения;
. эксперименты такого типа требуют очень специфической инфраструктуры и сложны для воспроизведения вне ведущих лабораторий;
. вывод "почему именно так устроен мир" всё равно остаётся философски открытым — эксперимент показывает правило, а не "механизм за кулисами".

Популярные вопросы о споре Эйнштейна и Бора и новом эксперименте

Как выбрать, чему верить: статье в медиа или научной публикации?

Лучше начинать с научной статьи (или синопсиса от профильных организаций) и уже потом читать медиа-пересказ: так вы увидите, где факты, а где драматургия. 

Что лучше: знать путь фотона или видеть интерференцию?

В квантовой механике эти цели конкурируют. Можно настраивать эксперимент так, чтобы получать больше информации о пути, но тогда интерференция будет исчезать; и наоборот — интерференция ярче, когда путь принципиально неразличим. 

Сколько "доказывает" такой эксперимент: он закрывает тему полностью?

Он закрывает конкретный сценарий "отдачи подвижной щели" в постановке, близкой к мысленному эксперименту 1927 года, и показывает соответствие предсказаниям дополнительности. Но квантовая физика шире одного опыта: разные вопросы требуют разных тестов и независимых проверок.