Einstein czy Bohr? Ten eksperyment rozwiązał ich spór

Eksperyment, który podzielił Einsteina i Bohra został wreszcie zrealizowany. Odkrycia wyjaśniają jedną z głównych zagadek fizyki kwantowej: czy światło jest rzeczywiście falą, cząstką, czy złożoną mieszaniną obu tych substancji?

W 1801 r. fizyk Thomas Young uważał, że światło jest falą. Einstein zaś argumentował, że światło jest cząstką. Bohr z kolei sugerował, że światło jest w rzeczywistości i tym, i tym. Einstein nie zgadzał się z tym i zmodyfikował eksperyment Younga, aby mu zaprzeczyć.

Badacze Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii pod kierunkiem Chao-Yanga Lu zrealizowali ten eksperyment.

W klasycznym teście Younga z dwiema szczelinami naukowcy świecą na parę wąskich, równoległych, poziomo zorientowanych szczelin umieszczonych przed ekranem. Gdyby światło było cząstką, ekran powinien pokazywać plamkę światła za każdą szczeliną.

Young i niezliczeni badacze, którzy obserwowali to samo zjawisko, zaobserwowali wzór interferencyjny naprzemiennie ułożonych ciemnych i jasnych pasów. Sugerowało to, że światło jest bardziej jak fala rozlewająca się przez szczeliny, a ekran rejestruje jej fale zderzające się ze sobą.

Bohr argumentował za zasadą komplementarności. Zgodnie z nim nie da się dostrzec korpuskularności fotonu, gdy zachowuje się on falowo i odwrotnie. Einstein z kolei chciał umieścić dodatkową szczelinę przed parą. Dzięki wyposażeniu jej w sprężyny mogłaby ona odskoczyć, gdy foton wpadałby w nią.

Zespół Lu wystrzelił pojedynczy atom nie w szczelinę, lecz w atom, który również mógł odskoczyć. Naukowcy wykorzystali lasery i siły elektromagnetyczne, aby go niesamowicie schłodzić, co umożliwiło niezwykle precyzyjną kontrolę jego właściwości kwantowych.

Gdy precyzyjnie odczytywano odrzut, wzór interferencyjny zanikał, zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Gdy luzowano tę kontrolę, pojawiał się rozmyty wzór. Tym samym pojawiała się jednocześnie częściowa informacja o drodze fotonu.

– W tym przypadku foton efektywnie wykazywał jednocześnie właściwości falowe i cząsteczkowe – mówi Lu.

Głos zabrał Wolfgang Ketterle z MIT, który wcześniej przeprowadził wariant doświadczenia z dwiema poruszającymi się "szczelinami" z ultrazimnych atomów. Wskazał, że to inna droga do zbadania dualizmu, bliższa zapisie "którędy", lecz nieco odchodząca od oryginalnej idei Einsteina.

Eksperyment Lu i jego zespołu koncepcyjnie odpowiada rysunkom, które zachowały się w historycznych zapisach debat między Bohrem a Einsteinem. Jak wywnioskowali naukowcy, efekty były dokładnie takie, jak przewidywała mechanika kwantowa.