Одне з найвідоміших відкриттів у фізиці неправильне: світло не таке, як ми думали

Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters, пише New Scientist.

Автори нового дослідження стверджують, що не потрібно думати про світло, як про хвилю, щоб пояснити результати експерименту з двома щілинами. Вони припускають, що в цьому випадку світло можна розглядати як просто частинку. Ця спірна теорія руйнує фізику, яку ми знаємо.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Світло — це частинка і хвиля? Фізики вважають, що це не так

Вчені кажуть, що експеримент із двома щілинами розглядався багатьма фізиками на початку XX століття на зорі зародження квантової фізики, як явний доказ того, що світло являє собою не тільки частинку, тобто фотон, а й електромагнітну хвилю.

• Фотон — це найпоширеніша за чисельністю частинка у Всесвіті. При цьому фотон є фундаментальною частинкою і переносником електромагнітної взаємодії (одна з чотирьох головних сил природи). Фотон не має маси і може існувати тільки якщо рухається зі швидкістю світла (300 000 км/с). У фотона немає електричного заряду.

В експерименті з двома щілинами світло проходить через дві сусідні вузькі щілини і потрапляє на екран, де воно утворює яскраві й темні вертикальні смуги, які називаються картиною класичної інтерференції.

• Інтерференція - це перерозподіл інтенсивності світла внаслідок накладення кількох хвиль світла.

Експеримент для виявлення хвильової природи світла

Звичайне пояснення експерименту зводиться до того, що хвилі світла проходять через щілини і зустрічаються одна з одною на екрані. Якщо під час зустрічі найвищий гребінь однієї хвилі зустрічається з найнижчою западиною іншої хвилі, то вони взаємно знищуються, і екран показує темну смугу, тобто відсутність світла. Яскраві смуги, з іншого боку, утворюються, коли дві хвилі зустрічаються на екрані і накладаються таким чином, що їхні гребені складаються. Простіше кажучи, якби світло складалося тільки з частинок, то екран залишався б неосвітленим, а якщо світло є ще й хвилею, то світло на екрані відбивається.

Автори дослідження взяли за основу картину інтерференції світла зі знаменитого експерименту і вирішили з'ясувати, чи можна її отримати, якщо припустити, що світло насправді не має форми хвилі. Для цього у своїй моделі вчені використовували один атом як екран, оскільки це найелементарніший детектор фотонів. Виявилося, що положення вертикальних смуг на екрані просто визначається геометрією щілин і тим, як світло заломлюється через них.

Темні фотони: світло є просто частинкою

Розрахунки показують, що така картина інтерференції може виникнути просто з розгляду світла як квантової частинки. Це відбувається тому, що в деяких місцях фотони, які проходять через щілини, набувають темних станів або форми темних фотонів. У цьому стані фотони не можуть взаємодіяти з іншими частинками і таким чином не освітлюють екран.

Виходячи з цього, вчені вважають, що така картина інтерференції не вказує на відсутність світла, але показує, що деякі фотони мають квантові властивості, які дають їм змогу вислизати від виявлення.

Можливо, доведеться змінити відому фізику

Автори дослідження кажуть, що результати експериментів руйнують наше розуміння того, як працює класична інтерференція і розуміння самої природи світла. Можливо, є необхідність змінити деякі фундаментальні основи фізики.

Варто сказати, що експеримент із двома щілинами зіграв важливу роль у тому, що пізніше фізики виявили корпускулярно-хвильовий дуалізм не тільки у фотонів, а й у електронів, атомів і навіть деяких молекул. Кожен із цих об'єктів створював класичну інтерференційну картину.

• Нагадуємо, що атоми складаються з ядра, а також електронів, які його оточують. Електрони є фундаментальними частинками і не складаються, як протони чи нейтрони, що складають ядро атома, з кварків.

На зорі розвитку квантової фізики, 100 років тому, вчені припустили, що все в нашому світі може проявляти як властивості хвилі, так і частинки, залежно від обставин, просто не одночасно. Але, можливо, настав час переосмислити давнє твердження.

Як уже писав Фокус, фізики виявили нові стани речовини, і вони можуть змінити наші технології.