Столетиями физики считали, что свет одновременно ведет себя и как волна, и как частица. Эта концепция легла в основу квантовой теории и породила квантовую механику. Эксперимент с двумя щелями, демонстрирующий интерференционные полосы, казалось, окончательно подтвердил волновую природу света. Однако новое исследование, проведенное командой под руководством Герхарда Ремпе из Института квантовой оптики Макса Планка, предполагает, что эти результаты можно объяснить, рассматривая свет исключительно как поток частиц.
Исторически эксперимент Томаса Юнга, проведенный в 1801 году, заключался в пропускании света через два узких отверстия. Полученные на экране интерференционные полосы интерпретировались как доказательство волновой природы света. Позже, с развитием квантовой механики, стало ясно, что частицы, такие как электроны, также могут демонстрировать волновое поведение. Альберт Эйнштейн, исследуя фотоэлектрический эффект, показал, что свет состоит из дискретных пакетов энергии — фотонов, а Нильс Бор развил идею корпускулярно-волнового дуализма, ставшую краеугольным камнем современной физики.
Новый подход исследователей предлагает интерпретировать интерференционные паттерны через концепцию «светлых» и «темных» состояний фотонов. Согласно этой теории, интерференционные картины возникают из комбинации детектируемых («светлых») и не детектируемых («темных») состояний фотонов. «Светлые» состояния взаимодействуют с наблюдателем, тогда как «темные» остаются скрытыми. Эти скрытые фотоны могут находиться в областях, где, как считалось ранее, свет взаимно уничтожается. Попытка отследить путь таких фотонов изменяет их состояние, переводя из «темного» в «светлое» или наоборот.
С этой точки зрения, траектории фотонов можно рассматривать как квантовые суперпозиции, а не как классическую волновую интерференцию. «Наше описание осмысленно, поскольку оно дает квантинную картину (с частицами) классической интерференции (с волнами): максимумы и минимумы возникают из запутанных светлых (взаимодействующих) и темных (не взаимодействующих) состояний частиц», — пояснил Герхард Ремпе. Ранее считалось, что полное разрушение интерференции исключает взаимодействие света с веществом. В новой модели даже области с нулевым средним электрическим полем могут содержать частицы, которые стандартные измерительные приборы не фиксируют.
Команда подчеркивает, что их выводы не опровергают предыдущие результаты, а лишь добавляют новый уровень детализации. По словам Ремпе, их модель помогает прояснить давние споры, в том числе касающиеся определения пути частицы, в которых участвовали такие выдающиеся ученые, как Ньютон, Максвелл, Эйнштейн и Милликен. Классическая физика успешно объясняет большинство повседневных оптических явлений, однако некоторые эксперименты в квантовой оптике демонстрируют результаты, которые не укладываются в чисто волновые теории. Например, уравнения Максвелла начинают давать сбои при взаимодействии отдельных фотонов с атомами на микроскопическом уровне.
Новая интерпретация ставит частицы в центр явления интерференции, предполагая, что волнообразные полосы являются лишь статистической картой распределения «светлых» и «темных» квантовых состояний. Измерение определенных свойств, переводящих фотоны в детектируемые или не детектируемые состояния, может влиять на исход эксперимента. Любая попытка точно определить маршрут фотона через две щели сталкивается с принципом неопределенности Гейзенберга: даже беглый взгляд может разрушить интерференционную картину. В данном контексте измерение фотона заключается не столько в передаче ему импульса, сколько в переключении его состояния из «темного» в «светлое». Десятилетия исследований в области квантовой информации намекали на возможность «наблюдения» за хрупкими системами без полного коллапса их состояния. Новая интерпретация опирается на эту идею, предлагая более глубокое понимание природы света.
По материалам: earth.com