Эйнштейн ошибся в квантовой механике: через 100 лет доказал эксперимент физиков

Физики реализовали современную версию мысленного эксперимента, предложенного Альбертом Эйнштейном для опровержения принципа дополнительности, который Нильс Бор считал важной особенностью квантовой механики. Согласно принципу дополнительности Бора, существуют парные свойства частиц, которые нельзя измерить одновременно, например, в данном случае, положение и импульс частицы. К сожалению для Эйнштейна, результаты нового эксперимента подтвердили теорию Бора и его принцип дополнительности, что потенциально может пролить свет на другие вопросы квантовой механики. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, пишет Newsweek.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Спор Эйнштейна и Бора

Встречаясь на научных конференциях, Альберт Эйнштейн и Нильс Бор любили подискутировать о квантовой механике. Эйнштейн всегда скептически относился к квантовой механике и считал, что реальность можно описать с помощью законов классической физики и не допускал наличия какой-либо случайности в поведении частиц. Эйнштейн утверждал, что обнаружил несоответствия в интерпретации квантовой механики Бором.

В 1927 году на очередной конференции в Брюсселе Эйнштейн представил Бору свой мысленный эксперимент, чтобы опровергнуть принцип дополнительности. Эйнштейн заявил, что его эксперимент показывает основное противоречие в принципе дополнительности, согласно которому пары свойств частиц, таких как положение и импульс, частота и время жизни, не могут быть измерены одновременно. Принцип дополнительности лежит в основе концепций корпускулярно-волнового дуализма и принципа неопределенности Гейзенберга.

Идея Эйнштейна основывалась на реальном эксперименте с двумя щелями физика Томаса Юнга, который в 1801 году показал, что свет ведет себя и как частица, и как волна. Это и есть корпускулярно-волновой дуализм. В 1927 году такую же двойственную природу электронов показал новый эксперимент.

В эксперименте Юнга источник света направляется на пластину с двумя горизонтальными щелями, за которой находится экран. Прохождение света через щели не только приводит к образованию интерференционной картины, основанной на волновых свойствах света, но и заставляет его попадать на экран только в дискретных точках, как частицы.

• Интерференция — это перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких волн света.

Эксперимент Эйнштейна для опровержения принципа дополнительности Бора

В рамках расширения эксперимента Юнга Эйнштейн предположил, что частицы сначала проходят через одну щель, также расположенную горизонтально. Эта щель должна была удерживаться сверху и снизу пружинами, чувствительными к импульсу. Затем свет должен пройти через двойную щель.

Идея Эйнштейна заключалась в том, что частицы, направляющиеся к верхней из двух щелей, будут передавать небольшое количество импульса вниз одиночной щели, демонстрируя то, что свет ведет себя как частица. Но затем пройдя через двойную щель, свет проявит себя как волна, образуя интерференционную картину. Но это противоречило бы принципу дополнительности Бора.

Бор не согласился с этим утверждением Эйнштейна, утверждая, что точное измерение импульса частицы с помощью одиночной щели оставит большую неопределенность в положении частицы, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, и приведет к соответствующему размытию полос на интерференционной картине.

Новый эксперимент доказал, что Эйнштейн ошибался

Во время нового исследования физики провели обновленную версию эксперимента Эйнштейна, доказав правильность принципа дополнительности Бора и то, что Эйнштейн ошибался.

В эксперименте физиков одиночная щель была заменена охлажденным атомом рубидия, удерживаемым оптическим пинцетом. Это позволило атому рубидия служить в качестве разделителя лучей света. В эксперименте одиночный атом служил разделителем луча света, импульс которого квантово запутан с импульсом падающего фотона, то есть частицы света, а неопределенность его импульса сводится к неопределенности импульса одиночного фотона.

Регулировка глубины оптического пинцета изменяла внутреннюю неопределенность импульса атома рубидия, а это, в свою очередь, делало полосы на интерференционной картине более или менее размытыми, как предсказывал Бор и его принцип дополнительности.

Фокус уже писал о том, почему архитектор квантовой механики Макс Борн разозлил Альберта Эйнштейна.