Експеримент Уїлера підтвердив принцип додатковості атомів

принцип

Інтерференція світла у досвіді Юнга

Ілюстрація: Timm Weitkamp (CC BY)

У 1978 році Джон Арчібальд Уілер запропонував більш витончений варіант класичного двощілинного досвіду Юнга, що довело хвильову природу світла. По Юнг пучок світла прямує на перегородку з двома вузькими щілинами. При цьому розмір кожної щілини приблизно відповідає довжині хвилі світла, що випромінюється. Проходячи крізь щілини, світло потрапляє на проекційний екран позаду. Якби фотони виявляли виключно корпускулярні властивості, то на екрані були б дві яскраво освітлені ділянки за щілинами і темна ділянка між ними. У той самий час, якщо фотони виявляють хвильові властивості, кожна щілина стає вторинним джерелом хвиль. Ці хвилі інтерферують, і замість двох освітлених смуг виникає безліч світлих і темних зон на проекційному екрані. Причому один з локальних максимумів освітленості знаходиться там, де має бути темне місце (якщо фотон був тільки часткою).

Здавалося б, хвильова природа світла експериментально доведена, проте математично це означало, що фотон одночасно проходить через обидві щілини. Тоді фізики спробували за допомогою вимірювання визначити — через яку щілину насправді пролітає один фотон. З'ясувалося, що у разі спостереження фотон знову почав діяти як частка, начебто «знав», що за ним спостерігають. Факт спостереження начебто руйнує хвильову функцію. І навпаки, щойно спостереження немає, фотон знову починає інтерферувати сам із собою, діючи як хвиля.

Констатуючи експериментально спостерігається корпускулярно-хвильовий дуалізм, Нільс Бор постулював принцип додатковості. Він говорить, що й спостерігач вимірює якості квантового об'єкта як частки, він поводиться як частка. Якщо жвимірюються його хвильові властивості, то для спостерігача він поводиться як хвиля. Тому для повного опису квантовомеханічних явищ необхідно застосовувати два, здавалося б, суперечать один одному уявлення, які в результаті виявляються взаємно доповнювальними, що і відображено в назві принципу.

Щоб подолати цю суперечність та перевірити ефект спостерігача, Уілер запропонував використовувати інтерферометр Маха – Цандера. Він складається із чотирьох дзеркал. Перше розщеплює потік світла на два пучки, які потім відбиваються від двох непрозорих дзеркал і знову зводяться разом у четвертому дзеркалі. По обидва боки від нього стоять детектори. Фотони потрібно випускати по одному.

Одиночний фотон хіба що розщеплюється на два першому дзеркалі, чи, іншими словами, виявляє хвильові властивості. Потім він відбивається від двох ідеальних дзеркал, знову інтерферує сам із собою у четвертому напівпрозорому дзеркалі, і нарешті потрапляє в один із детекторів. Для кожного конкретного фотона спрацьовує лише один із детекторів, але якщо повторювати досвід багато разів, вийде деяке нетривіальне співвідношення відліків двох детекторів. Це співвідношення показує, що частка, досягнувши четвертого дзеркала, поводиться як хвиля. Якщо ж четверте дзеркало прибрати, співвідношення між спрацьовуваннями буде 50:50. Це виглядає так, ніби в момент першого розщеплення частка вже «вирішила», яким шляхом вона піде.

Ідея Уїлера полягала в тому, щоб поява у схемі четвертого дзеркала вирішувалася за допомогою генератора випадкових чисел вже після того, як фотон увійшов до інтерферометра, але до того, як його поглинув один із детекторів – так званий відкладений вибір. Таким чином, експериментатори позбавляли б фотон можливості «дізнатися», чи спостерігається чи ні, і тим самимвизначити свою «поведінку» – стати частинкою чи хвилею. Вперше цю гіпотетичну схему вдалося реалізувати лише 2007 року.