Григорий Колпаков. Тайна двуликого фотона.

Физики выяснили, может ли фотон быть одновременно и частицей, и волной или в разных обстоятельствах он или волна, или частица
Взгляд художника на то, как фотон может быть одновременно и частицей, и волной
Взгляд художника на то, как фотон может быть одновременно и частицей, и волной

Фотография: Alberto Peruzzo/Peter Shadbolt/Nicolas Brunner/Jamie Simmonds

Физики провели эксперимент, который дал ответ на вопрос, может ли фотон быть одновременно и частицей, и волной или он все-таки проявляет себя в разных обстоятельствах или как волна, или как частица.

Квантовая механика позволяет довольно точно описывать поведение атомов и элементарных частиц, хотя и является наиболее абсурдным и наиболее противоречащим интуиции и здравому смыслу разделом физики. Квантовая механика позволяет одной и той же частице находиться одновременно сразу в нескольких местах. Эта частица может даже находиться в бесконечном количестве мест, и тогда это уже не частица, а волна. Точнее, это и частица, и волна одновременно. О такой квантовой двойственности частиц физика осведомлена с 1924 года, когда де Бройль выдвинул свою гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме, и, хотя эта двойственность стала с тех пор общим местом и фундаментальной основой физики микромира, она до сих пор остается, по словам нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, «настоящей тайной квантовой механики». Последнее время физиков очень занимал вопрос, какой союз применим к фотону (как и к любой другой элементарной частице) — «и» либо «или».

Может ли фотон быть одновременно и частицей, и волной или он все-таки проявляет себя в разных обстоятельствах или как волна, или как частица?

Дело в том, что в экспериментах со светом фотон ведет себя или как волна, или как частица, никогда экспериментаторам не удавалось увидеть в нем признаки и того и другого одновременно.

Чтобы все-таки добиться одновременной регистрации и волновых, и корпускулярных свойств фотона, бристольская команда решила реализовать мысленный эксперимент «с отложенным выбором», предложенный американским физиком Джоном Уилером в 1978 году. Суть его сводится к тому, что у экспериментатора есть установка, позволяющая ему по его выбору смотреть на фотон как на частицу или как на волну, но свой выбор он делает завтра, хотя фотон пролетел еще вчера.

Этим экспериментом Уилер доказывал, что понятие времени не имеет к квантовой механике никакого отношения.

Бристольские физики, опубликовавшие статью в Science, решили использовать метод отложенного выбора для другой цели — понять, возможно ли одновременно зарегистрировать фотон как частицу и как волну.

В своем эксперименте они использовали разработанный ими недавно фотонный чип — довольно сложное устройство, имеющее отношение к другому контринтуитивному квантовому эффекту — квантовой нелокальности, согласно которой изменение состояния одной из двух связанных частиц мгновенно сказывается на состоянии другой частицы, как бы далеко они ни были разнесены друг от друга.

«Наша измерительная аппаратура зафиксировала сильную нелокальность, — заявил Альберто Перуццо, руководитель исследования. — Это недвусмысленно говорит о том,

что фотон проявил себя в эксперименте одновременно и как волна, и как частица».

«Этот результат с высокой надежностью опровергает модели, согласно которым фотон может вести себя либо как волна, либо как частица», — подытожил ученый.