Материалы портала «Научная Россия»

Фотоны выбирают свою природу «задним числом»

Фотоны выбирают свою природу «задним числом»
В рамках уникального квантового эксперимента космического масштаба

Физики из университета Падуи (Италия), под руководством Франческо Ведовато (Francesco Vedovato) и Паоло Виллорези (Paolo Villoresi) показали, что квантовая или волновая природа фотона при его регистрации в ходе эксперимента может определяться выбором экспериментатора, сделанным уже на завершающей его стадии. Для этого ученые провели первый в своем роде эксперимент космического масштаба, о котором написали статью в журнал Science Advances. Вкратце ее пересказывает сайт журнала Science.

Согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма, фотоны могут вести себя и как частицы, и как волны, в зависимости от того, какой способ их регистрации выберет наблюдатель. В 1970-х годах знаменитый физик-теоретик Джон Арчибальд выдвинул предположение, что этот выбор можно отложить до момента, когда фотоны уже почти завершили свой путь через используемый учеными аппарат и вот-вот будут зарегистрированы. Иными словами, фотоны до последнего сами не «знают», какова окажется их природа.

Подтвердить эту теорию удалось с помощью эксперимента на интерферометре Маха-Цендера. Этот прибор состоит из источника фотонов (т.е., света), двух расщепителей фотонного потока (светового луча), двух отражающих его зеркал и двух детекторов фотонов на выходе.

Принцип действия интерферометра таков: первый расщепитель разделяет луч на две равные части, которые сначала расходятся под прямым углом, а затем отражаются от зеркал и попадают во второй расщепитель, где, потоки фотонов, как волны, подвергаются интерференции. Из расщепителя №2 они выходят опять же под углом 90° и попадают в два регистратора; какой именно детектор уловит каждый фотон, зависит от длины его волны (см. схему).

Название изображения

Если же убрать расщепитель №2, фотоны будут попадать либо в первый, либо во второй детектор с равной вероятностью, ведя себя как частицы. Эксперимент показал, что решение о том, убирать второй регистратор или нет, ученые могут принять уже после того, как лучи отразились от зеркал – то есть, в самом конце эксперимента. И от этого будет зависеть регистрируемая природа фотонов, хотя теоретически, они должны были бы «определиться» с ней уже после прохождения расщепителя №1.

Теперь Ведовато и Виллорези удалось впервые успешно повторить этот эксперимент в космическом масштабе. С помощью расщепителя на Земле они разделили луч света на две половины, одна от которых отставала от другой во времени на 3,5 наносекунд. Затем, с помощью лазерного телескопа в Матера на юге Италии эти пучки были отправлены на два орбитальных спутника, которые, сыграв роль зеркал, вернули их обратно. Полученные пучки ученые пропустили через расщепитель №2, который, в зависимости от настройки, либо убирал разницу во времени (позволяя им интерферировать, как волнам), либо удваивал ее (делая интерференцию невозможной, как у частиц).

Оказалось, что ученые могут решить, как настраивать расщепитель №2, уже после того, как лучи отразились от спутников-«зеркал» и, соответственно, прошли уже больше половины своего 10-миллисекундного пути. Получается, что фотоны снова определяются со своей природой как бы «задним числом».

Такие эксперименты чрезвычайно важны, отметил физик Жан-Франсуа Рош (Jean-François Roch) из Высшей нормальной школы в Париже. Анализируя их, возможно удастся «перебросить мостик» между общей теорией относительности – в которой причина всегда предшествует следствию, – и квантовой теорией, в которой это не всегда так.

Напомним, недавно было выдвинуто предположение, что некоторые субатомные частицы могут сами себя разгонять, благодаря изменению своего волнового пакета.

интерферометр маха-цендера квантовая физика корпускулярно-волновой дуализм спутники фотоны

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий