Το Πανεπιστήμιο MIT πρόσφατα πραγματοποίησε ένα πείραμα που αμφισβητεί τη θεωρία του Αϊνστάιν, μία από τις πιο γνωστές αρχές της κβαντικής φυσικής.
Οι φυσικοί του MIT πραγματοποίησαν την πιο ακριβή εκδοχή του διάσημου πειράματος των δύο σχισμών, χρησιμοποιώντας υπερψυχρά άτομα και μεμονωμένα φωτόνια για να αποκαλύψουν τη μυστηριώδη διπλή φύση του φωτός ως κύμα και σωματίδιο.
Αυτός ο κβαντικός ακροβατισμός – που έχει συζητηθεί εκτενώς από τους Αϊνστάιν και Μπορ – δοκιμάστηκε χωρίς τα παραδοσιακά “ελατήρια”, βασιζόμενοι αντ’ αυτού στην “ασάφεια” των ατόμων για να επιβεβαιώσουν την άποψη του Μπορ: δεν μπορείς να παρατηρήσεις και τις δύο ιδιότητες ταυτόχρονα.
Το πείραμα εκτός από το ότι αναδεικνύει τις λεπτότητες της κβαντικής μηχανικής, επαναφέρει και επιλύει έναν ιστορικό επιστημονικό ανταγωνισμό.
Σχηματική απεικόνιση του πειράματος του MIT: Δύο μεμονωμένα άτομα που αιωρούνται σε μια θάλαμο κενού φωτίζονται από μια δέσμη λέιζερ και λειτουργούν ως οι δύο σχισμές. Η διάχυση του φωτός καταγράφεται με μια εξαιρετικά ευαίσθητη κάμερα, που απεικονίζεται ως οθόνη. Το ατάκτως διασκορπισμένο φως εμφανίζεται ως φόντο και υποδεικνύει ότι το φωτόνιο έχει συμπεριφερθεί ως σωματίδιο περνώντας μόνο από μία σχισμή. Φωτογραφία των ερευνητών
Η διπλή ταυτότητα του Φωτός: Ένα κβαντικό μυστήριο
Οι ερευνητές του MIT πραγματοποίησαν μια εξαιρετικά εξελιγμένη εκδοχή ενός από τα πιο εμβληματικά πειράματα της κβαντικής φυσικής. Χρησιμοποιώντας ακριβείς τεχνικές σε ατομική κλίμακα, μπόρεσαν να εξετάσουν στενά τη μυστηριώδη διπλή φύση του φωτός. Τα αποτελέσματά τους επιβεβαίωσαν κάτι που συζητιόταν για καιρό στον κόσμο της φυσικής: σε αυτή την περίπτωση, η ιδέα του Αϊνστάιν για το φως, ήταν λανθασμένη.
Η διπλή ταυτότητα του Φωτός: Ένα κβαντικό μυστήριο
Οι ερευνητές του MIT πραγματοποίησαν μια εξαιρετικά εξελιγμένη εκδοχή ενός από τα πιο εμβληματικά πειράματα της κβαντικής φυσικής. Χρησιμοποιώντας ακριβείς τεχνικές σε ατομική κλίμακα, μπόρεσαν να εξετάσουν στενά τη μυστηριώδη διπλή φύση του φωτός. Τα αποτελέσματά τους επιβεβαίωσαν κάτι που συζητιόταν για καιρό στον κόσμο της φυσικής: σε αυτή την περίπτωση, η ιδέα του Αϊνστάιν για το φως, ήταν λανθασμένη.
Το ιστορικό πείραμα των δύο σχισμών
Το πείραμα που επανεξέτασαν, είναι γνωστό ως το πείραμα των δύο σχισμών. Πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1801 από τον Βρετανό επιστήμονα Thomas Young και είχε αρχικά σχεδιαστεί για να αποδείξει ότι το φως συμπεριφέρεται ως κύμα. Ωστόσο, με την άνοδο της κβαντικής μηχανικής τον 20ο αιώνα, το πείραμα απέκτησε ακόμα μεγαλύτερη σημασία.
Χρησιμοποιήθηκε μια απρόσμενα απλή μέθοδος για να αποκαλύψει μια βαθιά ανατριχιαστική αλήθεια: το φως συμπεριφέρεται τόσο σαν κύμα όσο και σαν σωματίδιο, αλλά ποτέ ταυτόχρονα. Στην κλασική εκδοχή του πειράματος, μια δέσμη φωτός κατευθύνεται μέσα από δύο στενές, παράλληλες σχισμές σε ένα εμπόδιο.
Στην οθόνη πίσω από το εμπόδιο, αντί να εμφανιστούν απλώς δύο φωτεινά σημεία (όπως θα περιμέναμε αν το φως ταξίδευε σαν στερεά σωματίδια), εμφανίζεται ένα ριγέ μοτίβο από φωτεινές και σκοτεινές λωρίδες.
Αυτό το μοτίβο αλληλεπίδρασης, που μοιάζει με αυτό που συμβαίνει όταν οι κυματισμοί του νερού διασταυρώνονται, υποδεικνύει τη συμπεριφορά του φωτός ως κύμα. Ωστόσο, αν προσπαθήσετε να μετρήσετε από ποια σχισμή περνά το φως, οι ρίγες εξαφανίζονται και το φως συμπεριφέρεται σαν μεμονωμένα σωματίδια.
Σήμερα, το πείραμα των δύο σχισμών διδάσκεται στα σχολεία ως ένα παράδειγμα της κεντρικής ιδέας της κβαντικής θεωρίας: η φυσική ύλη, συμπεριλαμβανομένου του φωτός, υπάρχει τόσο σε μορφή κύματος όσο και σωματιδίου. Όμως, το σημαντικό είναι ότι η πράξη της παρατήρησης μιας μορφής προκαλεί την εξαφάνιση της άλλης.
Το πείραμα που επανεξέτασαν, είναι γνωστό ως το πείραμα των δύο σχισμών. Πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1801 από τον Βρετανό επιστήμονα Thomas Young και είχε αρχικά σχεδιαστεί για να αποδείξει ότι το φως συμπεριφέρεται ως κύμα. Ωστόσο, με την άνοδο της κβαντικής μηχανικής τον 20ο αιώνα, το πείραμα απέκτησε ακόμα μεγαλύτερη σημασία.
Χρησιμοποιήθηκε μια απρόσμενα απλή μέθοδος για να αποκαλύψει μια βαθιά ανατριχιαστική αλήθεια: το φως συμπεριφέρεται τόσο σαν κύμα όσο και σαν σωματίδιο, αλλά ποτέ ταυτόχρονα. Στην κλασική εκδοχή του πειράματος, μια δέσμη φωτός κατευθύνεται μέσα από δύο στενές, παράλληλες σχισμές σε ένα εμπόδιο.
Στην οθόνη πίσω από το εμπόδιο, αντί να εμφανιστούν απλώς δύο φωτεινά σημεία (όπως θα περιμέναμε αν το φως ταξίδευε σαν στερεά σωματίδια), εμφανίζεται ένα ριγέ μοτίβο από φωτεινές και σκοτεινές λωρίδες.
Αυτό το μοτίβο αλληλεπίδρασης, που μοιάζει με αυτό που συμβαίνει όταν οι κυματισμοί του νερού διασταυρώνονται, υποδεικνύει τη συμπεριφορά του φωτός ως κύμα. Ωστόσο, αν προσπαθήσετε να μετρήσετε από ποια σχισμή περνά το φως, οι ρίγες εξαφανίζονται και το φως συμπεριφέρεται σαν μεμονωμένα σωματίδια.
Σήμερα, το πείραμα των δύο σχισμών διδάσκεται στα σχολεία ως ένα παράδειγμα της κεντρικής ιδέας της κβαντικής θεωρίας: η φυσική ύλη, συμπεριλαμβανομένου του φωτός, υπάρχει τόσο σε μορφή κύματος όσο και σωματιδίου. Όμως, το σημαντικό είναι ότι η πράξη της παρατήρησης μιας μορφής προκαλεί την εξαφάνιση της άλλης.
«Αυτό που κάναμε μπορεί να θεωρηθεί μια νέα παραλλαγή του πειράματος των δύο σχισμών», λέει ο Wolfgang Ketterle, εικονιζόμενος με μέλη της ομάδας του MIT. Εμπρός, από αριστερά προς τα δεξιά: Yoo Kyung Lee και Hanzhen Lin. Πίσω: Jiahao Lyu, Yu-Kun Lu, Wolfgang Ketterle και Vitaly Fedoseev. Φωτογραφία των ερευνητών
Αϊνστάιν vs Μπορ: Μια διαφωνία 100 ετών
Σχεδόν έναν αιώνα πριν, το πείραμα βρέθηκε στο επίκεντρο μιας φιλικής αντιπαράθεσης μεταξύ των φυσικών Άλμπερτ Αϊνστάιν και Νιλς Μπορ. Το 1927, ο Αϊνστάιν υποστήριξε ότι ένα φωτόνιο, ως σωματίδιο, θα περνούσε μέσα από μόνο μία από τις δύο σχισμές και κατά τη διέλευσή του θα ασκούσε μια μικρή δύναμη σε αυτήν, σαν ένα πουλί που κουνάει ένα φύλλο καθώς πετάει δίπλα του. Πρότεινε ότι θα μπορούσε κανείς να ανιχνεύσει μια τέτοια δύναμη, παρατηρώντας παράλληλα και το μοτίβο παρεμβολής, δηλαδή να «πιάσει» την κυματική και σωματιδιακή φύση του φωτός ταυτόχρονα. Σε απάντηση, ο Μπορ εφάρμοσε την αρχή της αβεβαιότητας της κβαντικής μηχανικής και έδειξε ότι η ανίχνευση της διαδρομής του φωτονίου θα καταστρέψει το μοτίβο παρεμβολής.
Από τότε, οι επιστήμονες έχουν πραγματοποιήσει πολλές εκδοχές του πειράματος των δύο σχισμών, οι οποίες, σε διάφορους βαθμούς, επιβεβαίωσαν την ορθότητα της κβαντικής θεωρίας που διατυπώθηκε από τον Μπορ.
Τώρα, οι φυσικοί του MIT πραγματοποίησαν την πιο «ιδανική» εκδοχή του πειράματος των δύο σχισμών μέχρι σήμερα. Η εκδοχή τους περιορίζει το πείραμα στα βασικά κβαντικά του στοιχεία. Χρησιμοποίησαν μεμονωμένα άτομα ως «σχισμές» και χρησιμοποίησαν ασθενείς δέσμες φωτός, έτσι ώστε κάθε άτομο να διασκορπίσει το πολύ ένα φωτόνιο.
Με την προετοιμασία των ατόμων σε διαφορετικές κβαντικές καταστάσεις, κατάφεραν να τροποποιήσουν τις πληροφορίες που λάμβαναν τα άτομα για την πορεία των φωτονίων. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν έτσι τις προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας: Όσο περισσότερες πληροφορίες αποκτούνται για την διαδρομή (δηλαδή τη σωματιδιακή φύση) του φωτός, τόσο μειώνεται η ορατότητα του μοτίβου παρεμβολής.
Απέδειξαν τι ήταν αυτό που είχε υπολογίσει λάθος ο Αϊνστάιν. Κάθε φορά που ένα άτομο «ταράζεται» από τη διέλευση ενός φωτονίου, το κυματικό μοτίβο παρεμβολής μειώνεται.
Υπερψυχρά Άτομα: Δημιουργώντας το ιδανικό περιβάλλον
«Ο Αϊνστάιν και ο Μπορ δεν θα μπορούσαν ποτέ να φανταστούν ότι θα ήταν δυνατό να πραγματοποιηθεί ένα τέτοιο πείραμα με μεμονωμένα άτομα και φωτόνια», λέει ο Wolfgang Ketterle, Καθηγητής Φυσικής John D. MacArthur και επικεφαλής της ομάδας του MIT. «Αυτό που κάναμε είναι ένα ιδεατό νοητικό πείραμα (Gedanken)».
Τα αποτελέσματα της έρευνάς τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters. Συγγραφείς της μελέτης από το MIT, πέρα από τον Ketterle, είναι οι Vitaly Fedoseev (πρώτος συγγραφέας), Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee και Jiahao Lyu, όλοι μέλη του Τμήματος Φυσικής του MIT, του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Ερευνών (Research Laboratory of Electronics) και του Κέντρου Υπερψυχρών Ατόμων MIT-Harvard (MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms).
Η ομάδα του Ketterle στο MIT πραγματοποιεί πειράματα με άτομα και μόρια που υπερψύχουν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, τα οποία τοποθετούν σε συγκεκριμένες διαμορφώσεις περιορίζοντάς τα με τη βοήθεια ακτίνων λέιζερ. Μέσα σε αυτά τα υπερψυχρά και σχολαστικά ρυθμισμένα νέφη, μπορούν να εμφανιστούν εξωτικά φαινόμενα που ισχύουν μόνο σε κβαντικό επίπεδο και σε κλίμακα μεμονωμένων ατόμων.
Σε ένα πρόσφατο πείραμα, η ομάδα μελετούσε ένα φαινομενικά άσχετο ερώτημα, διερευνώντας πώς η σκέδαση φωτός μπορεί να αποκαλύψει τις ιδιότητες υλικών που έχουν δημιουργηθεί από υπερψυχρά άτομα.
«Συνειδητοποιήσαμε ότι μπορούμε να ποσοτικοποιήσουμε τον βαθμό στον οποίο αυτή η διαδικασία σκέδασης μοιάζει περισσότερο με σωματίδιο ή με κύμα, και γρήγορα καταλάβαμε ότι μπορούμε να εφαρμόσουμε αυτήν τη νέα μέθοδο για να πραγματοποιήσουμε αυτό το διάσημο πείραμα με έναν πολύ ιδεατό τρόπο», λέει ο Fedoseev.
Παγωμένα πλέγματα και διαδρομές φωτονίων
Σύμφωνα με το Science Daily, στη νέα της μελέτη, η ομάδα εργάστηκε με περισσότερα από 10.000 άτομα, τα οποία ψύχθηκαν σε θερμοκρασίες μικροκέλβιν. Χρησιμοποιώντας μια διάταξη από ακτίνες λέιζερ, οργάνωσαν τα παγωμένα άτομα σε μια ομοιόμορφα κατανεμημένη, κρυσταλλική δομή. Σε αυτή τη διάταξη, κάθε άτομο βρίσκεται αρκετά μακριά από τα υπόλοιπα, ώστε να μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μοναδικό, απομονωμένο και πανομοιότυπο άτομο. Και τα 10.000 τέτοια άτομα μπορούν να παράγουν ένα σήμα που είναι πιο εύκολα ανιχνεύσιμο σε σχέση με ένα ή δύο άτομα.
Η ομάδα σκέφτηκε ότι με αυτή τη διάταξη θα μπορούσαν να φωτίσουν τα άτομα με μια ασθενή δέσμη φωτός και να παρατηρήσουν πώς ένα μεμονωμένο φωτόνιο διασκορπίζεται από δύο γειτονικά άτομα, είτε ως κύμα είτε ως σωματίδιο. Αυτό θα ήταν παρόμοιο με το πώς, στο αρχικό πείραμα των δύο σχισμών, το φως περνάει μέσα από δύο σχισμές.
«Αυτό που κάναμε μπορεί να θεωρηθεί μια νέα παραλλαγή του πειράματος των δύο σχισμών», λέει ο Ketterle. «Αυτά τα μεμονωμένα άτομα είναι σαν τις μικρότερες σχισμές που θα μπορούσες να δημιουργήσεις».
Έλεγχος της κβαντικής συμπεριφοράς μέσω της ασαφούς θέσης
Η εργασία σε επίπεδο μεμονωμένων φωτονίων απαιτούσε την επανάληψη του πειράματος πολλές φορές και τη χρήση ενός εξαιρετικά ευαίσθητου ανιχνευτή για να καταγραφεί το μοτίβο του φωτός που διασκορπίστηκε από τα άτομα. Από την ένταση του ανιχνευμένου φωτός, οι ερευνητές μπορούσαν να συμπεράνουν άμεσα αν το φως συμπεριφερόταν ως σωματίδιο ή ως κύμα.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον είχαν για την κατάσταση όπου τα μισά φωτόνια που έστελναν συμπεριφέρονταν ως κύματα και τα άλλα μισά ως σωματίδια. Αυτό το πέτυχαν χρησιμοποιώντας μια μέθοδο ρύθμισης της πιθανότητας ένα φωτόνιο να εμφανιστεί ως κύμα ή ως σωματίδιο, ρυθμίζοντας την «ασαφή» θέση ενός ατόμου, δηλαδή το πόσο σίγουρη είναι η θέση του.
Στο πείραμά τους, κάθε ένα από τα 10.000 άτομα κρατιόταν στη θέση του με φως λέιζερ που μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να σφίξει ή να χαλαρώσει την «σύλληψη» του φωτός πάνω στο άτομο. Όσο πιο χαλαρά κρατιέται ένα άτομο, τόσο πιο «ασαφές», ή πιο «εκτεταμένο χωρικά» φαίνεται. Το πιο ασαφές άτομο ανακινείται πιο εύκολα και καταγράφει την πορεία του φωτονίου. Επομένως, ρυθμίζοντας την ασαφή θέση του ατόμου, οι ερευνητές μπορούν να αυξήσουν την πιθανότητα το φωτόνιο να συμπεριφερθεί ως σωματίδιο. Οι παρατηρήσεις τους συμφωνούσαν πλήρως με τη θεωρητική περιγραφή.
Δοκιμάζοντας την ιδέα του Αϊνστάιν – Χωρίς τα ελατήρια
Στο πείραμά τους, η ομάδα δοκίμασε την ιδέα του Αϊνστάιν σχετικά με το πώς μπορεί να ανιχνευτεί η πορεία του φωτονίου. Θεωρητικά, αν κάθε σχισμή ήταν κομμένη σε ένα εξαιρετικά λεπτό φύλλο χαρτιού, το οποίο αιωρείται στον αέρα με ένα ελατήριο, τότε ένα φωτόνιο που περνά μέσα από τη μία σχισμή θα έπρεπε να κουνήσει το αντίστοιχο ελατήριο σε ένα βαθμό που θα αποτελούσε ένδειξη της σωματιδιακής φύσης του φωτονίου.
Σε προηγούμενες εκδοχές του πειράματος με τις δύο σχισμές, οι φυσικοί είχαν συμπεριλάβει αυτό το «ελατήριο» και αυτό έπαιζε σημαντικό ρόλο στην περιγραφή της διπλής φύσης του φωτονίου. Ωστόσο, ο Ketterle και οι συνεργάτες του κατάφεραν να πραγματοποιήσουν το πείραμα χωρίς τα γνωστά «ελατήρια».
Το νέφος των ατόμων της ομάδας συγκρατείται αρχικά στη θέση του με φως λέιζερ, κάτι παρόμοιο με την ιδέα του Αϊνστάιν για τη σχισμή που αιωρείται με ελατήριο. Οι ερευνητές σκέφτηκαν ότι αν καταργούσαν το «ελατήριο» αυτό και παρατηρούσαν το ίδιο φαινόμενο, τότε θα αποδείκνυαν ότι το ελατήριο δεν επηρεάζει τη διπλή φύση κύματος/σωματιδίου του φωτονίου.
Αυτό ήταν ακριβώς που βρήκαν. Σε πολλαπλές δοκιμές, απενεργοποίησαν το λέιζερ που κρατούσε τα άτομα στη θέση τους, παίρνοντας στη συνέχεια μια γρήγορη μέτρηση μέσα σε ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, πριν τα άτομα γίνουν πιο «ασαφή» και πέσουν τελικά λόγω της βαρύτητας.
Σε αυτό το πολύ μικρό χρονικό διάστημα, τα άτομα αιωρούνταν ουσιαστικά ελεύθερα στο χώρο. Σε αυτό το σενάριο χωρίς ελατήρια, η ομάδα παρατήρησε το ίδιο φαινόμενο: Η κυματική και σωματιδιακή φύση του φωτονίου δεν μπορούσε να παρατηρηθεί ταυτόχρονα.
«Σε πολλές περιγραφές, τα ελατήρια παίζουν σημαντικό ρόλο. Αλλά εμείς δείχνουμε ότι όχι, τα ελατήρια δεν έχουν σημασία εδώ. Αυτό που μετράει είναι μόνο η ασαφής θέση των ατόμων», λέει ο Fedoseev. «Επομένως, πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια πιο βαθιά περιγραφή, που βασίζεται στις κβαντικές συσχετίσεις μεταξύ φωτονίων και ατόμων»
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι το 2025 έχει ανακηρυχθεί από τα Ηνωμένα Έθνη ως η Διεθνής Χρονιά της Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, γιορτάζοντας τα 100 χρόνια από τη διαμόρφωση της κβαντικής μηχανικής. Η συζήτηση μεταξύ των Μπορ και Αϊνστάιν για το πείραμα των δύο σχισμών έγινε μόλις δύο χρόνια μετά.
«Είναι μια υπέροχη σύμπτωση ότι καταφέραμε να βοηθήσουμε να ξεκαθαριστεί αυτή η ιστορική διαμάχη την ίδια χρονιά που γιορτάζουμε την κβαντική φυσική», αναφέρει μία από τους συγγραφείς, η Lee.
Αυτό το έργο υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (National Science Foundation), το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ (U.S. Department of Defense) και το Ίδρυμα Gordon και Betty Moore (Gordon and Betty Moore Foundation).
Αϊνστάιν vs Μπορ: Μια διαφωνία 100 ετών
Σχεδόν έναν αιώνα πριν, το πείραμα βρέθηκε στο επίκεντρο μιας φιλικής αντιπαράθεσης μεταξύ των φυσικών Άλμπερτ Αϊνστάιν και Νιλς Μπορ. Το 1927, ο Αϊνστάιν υποστήριξε ότι ένα φωτόνιο, ως σωματίδιο, θα περνούσε μέσα από μόνο μία από τις δύο σχισμές και κατά τη διέλευσή του θα ασκούσε μια μικρή δύναμη σε αυτήν, σαν ένα πουλί που κουνάει ένα φύλλο καθώς πετάει δίπλα του. Πρότεινε ότι θα μπορούσε κανείς να ανιχνεύσει μια τέτοια δύναμη, παρατηρώντας παράλληλα και το μοτίβο παρεμβολής, δηλαδή να «πιάσει» την κυματική και σωματιδιακή φύση του φωτός ταυτόχρονα. Σε απάντηση, ο Μπορ εφάρμοσε την αρχή της αβεβαιότητας της κβαντικής μηχανικής και έδειξε ότι η ανίχνευση της διαδρομής του φωτονίου θα καταστρέψει το μοτίβο παρεμβολής.
Από τότε, οι επιστήμονες έχουν πραγματοποιήσει πολλές εκδοχές του πειράματος των δύο σχισμών, οι οποίες, σε διάφορους βαθμούς, επιβεβαίωσαν την ορθότητα της κβαντικής θεωρίας που διατυπώθηκε από τον Μπορ.
Τώρα, οι φυσικοί του MIT πραγματοποίησαν την πιο «ιδανική» εκδοχή του πειράματος των δύο σχισμών μέχρι σήμερα. Η εκδοχή τους περιορίζει το πείραμα στα βασικά κβαντικά του στοιχεία. Χρησιμοποίησαν μεμονωμένα άτομα ως «σχισμές» και χρησιμοποίησαν ασθενείς δέσμες φωτός, έτσι ώστε κάθε άτομο να διασκορπίσει το πολύ ένα φωτόνιο.
Με την προετοιμασία των ατόμων σε διαφορετικές κβαντικές καταστάσεις, κατάφεραν να τροποποιήσουν τις πληροφορίες που λάμβαναν τα άτομα για την πορεία των φωτονίων. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν έτσι τις προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας: Όσο περισσότερες πληροφορίες αποκτούνται για την διαδρομή (δηλαδή τη σωματιδιακή φύση) του φωτός, τόσο μειώνεται η ορατότητα του μοτίβου παρεμβολής.
Απέδειξαν τι ήταν αυτό που είχε υπολογίσει λάθος ο Αϊνστάιν. Κάθε φορά που ένα άτομο «ταράζεται» από τη διέλευση ενός φωτονίου, το κυματικό μοτίβο παρεμβολής μειώνεται.
Υπερψυχρά Άτομα: Δημιουργώντας το ιδανικό περιβάλλον
«Ο Αϊνστάιν και ο Μπορ δεν θα μπορούσαν ποτέ να φανταστούν ότι θα ήταν δυνατό να πραγματοποιηθεί ένα τέτοιο πείραμα με μεμονωμένα άτομα και φωτόνια», λέει ο Wolfgang Ketterle, Καθηγητής Φυσικής John D. MacArthur και επικεφαλής της ομάδας του MIT. «Αυτό που κάναμε είναι ένα ιδεατό νοητικό πείραμα (Gedanken)».
Τα αποτελέσματα της έρευνάς τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters. Συγγραφείς της μελέτης από το MIT, πέρα από τον Ketterle, είναι οι Vitaly Fedoseev (πρώτος συγγραφέας), Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee και Jiahao Lyu, όλοι μέλη του Τμήματος Φυσικής του MIT, του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Ερευνών (Research Laboratory of Electronics) και του Κέντρου Υπερψυχρών Ατόμων MIT-Harvard (MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms).
Η ομάδα του Ketterle στο MIT πραγματοποιεί πειράματα με άτομα και μόρια που υπερψύχουν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, τα οποία τοποθετούν σε συγκεκριμένες διαμορφώσεις περιορίζοντάς τα με τη βοήθεια ακτίνων λέιζερ. Μέσα σε αυτά τα υπερψυχρά και σχολαστικά ρυθμισμένα νέφη, μπορούν να εμφανιστούν εξωτικά φαινόμενα που ισχύουν μόνο σε κβαντικό επίπεδο και σε κλίμακα μεμονωμένων ατόμων.
Σε ένα πρόσφατο πείραμα, η ομάδα μελετούσε ένα φαινομενικά άσχετο ερώτημα, διερευνώντας πώς η σκέδαση φωτός μπορεί να αποκαλύψει τις ιδιότητες υλικών που έχουν δημιουργηθεί από υπερψυχρά άτομα.
«Συνειδητοποιήσαμε ότι μπορούμε να ποσοτικοποιήσουμε τον βαθμό στον οποίο αυτή η διαδικασία σκέδασης μοιάζει περισσότερο με σωματίδιο ή με κύμα, και γρήγορα καταλάβαμε ότι μπορούμε να εφαρμόσουμε αυτήν τη νέα μέθοδο για να πραγματοποιήσουμε αυτό το διάσημο πείραμα με έναν πολύ ιδεατό τρόπο», λέει ο Fedoseev.
Παγωμένα πλέγματα και διαδρομές φωτονίων
Σύμφωνα με το Science Daily, στη νέα της μελέτη, η ομάδα εργάστηκε με περισσότερα από 10.000 άτομα, τα οποία ψύχθηκαν σε θερμοκρασίες μικροκέλβιν. Χρησιμοποιώντας μια διάταξη από ακτίνες λέιζερ, οργάνωσαν τα παγωμένα άτομα σε μια ομοιόμορφα κατανεμημένη, κρυσταλλική δομή. Σε αυτή τη διάταξη, κάθε άτομο βρίσκεται αρκετά μακριά από τα υπόλοιπα, ώστε να μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μοναδικό, απομονωμένο και πανομοιότυπο άτομο. Και τα 10.000 τέτοια άτομα μπορούν να παράγουν ένα σήμα που είναι πιο εύκολα ανιχνεύσιμο σε σχέση με ένα ή δύο άτομα.
Η ομάδα σκέφτηκε ότι με αυτή τη διάταξη θα μπορούσαν να φωτίσουν τα άτομα με μια ασθενή δέσμη φωτός και να παρατηρήσουν πώς ένα μεμονωμένο φωτόνιο διασκορπίζεται από δύο γειτονικά άτομα, είτε ως κύμα είτε ως σωματίδιο. Αυτό θα ήταν παρόμοιο με το πώς, στο αρχικό πείραμα των δύο σχισμών, το φως περνάει μέσα από δύο σχισμές.
«Αυτό που κάναμε μπορεί να θεωρηθεί μια νέα παραλλαγή του πειράματος των δύο σχισμών», λέει ο Ketterle. «Αυτά τα μεμονωμένα άτομα είναι σαν τις μικρότερες σχισμές που θα μπορούσες να δημιουργήσεις».
Έλεγχος της κβαντικής συμπεριφοράς μέσω της ασαφούς θέσης
Η εργασία σε επίπεδο μεμονωμένων φωτονίων απαιτούσε την επανάληψη του πειράματος πολλές φορές και τη χρήση ενός εξαιρετικά ευαίσθητου ανιχνευτή για να καταγραφεί το μοτίβο του φωτός που διασκορπίστηκε από τα άτομα. Από την ένταση του ανιχνευμένου φωτός, οι ερευνητές μπορούσαν να συμπεράνουν άμεσα αν το φως συμπεριφερόταν ως σωματίδιο ή ως κύμα.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον είχαν για την κατάσταση όπου τα μισά φωτόνια που έστελναν συμπεριφέρονταν ως κύματα και τα άλλα μισά ως σωματίδια. Αυτό το πέτυχαν χρησιμοποιώντας μια μέθοδο ρύθμισης της πιθανότητας ένα φωτόνιο να εμφανιστεί ως κύμα ή ως σωματίδιο, ρυθμίζοντας την «ασαφή» θέση ενός ατόμου, δηλαδή το πόσο σίγουρη είναι η θέση του.
Στο πείραμά τους, κάθε ένα από τα 10.000 άτομα κρατιόταν στη θέση του με φως λέιζερ που μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να σφίξει ή να χαλαρώσει την «σύλληψη» του φωτός πάνω στο άτομο. Όσο πιο χαλαρά κρατιέται ένα άτομο, τόσο πιο «ασαφές», ή πιο «εκτεταμένο χωρικά» φαίνεται. Το πιο ασαφές άτομο ανακινείται πιο εύκολα και καταγράφει την πορεία του φωτονίου. Επομένως, ρυθμίζοντας την ασαφή θέση του ατόμου, οι ερευνητές μπορούν να αυξήσουν την πιθανότητα το φωτόνιο να συμπεριφερθεί ως σωματίδιο. Οι παρατηρήσεις τους συμφωνούσαν πλήρως με τη θεωρητική περιγραφή.
Δοκιμάζοντας την ιδέα του Αϊνστάιν – Χωρίς τα ελατήρια
Στο πείραμά τους, η ομάδα δοκίμασε την ιδέα του Αϊνστάιν σχετικά με το πώς μπορεί να ανιχνευτεί η πορεία του φωτονίου. Θεωρητικά, αν κάθε σχισμή ήταν κομμένη σε ένα εξαιρετικά λεπτό φύλλο χαρτιού, το οποίο αιωρείται στον αέρα με ένα ελατήριο, τότε ένα φωτόνιο που περνά μέσα από τη μία σχισμή θα έπρεπε να κουνήσει το αντίστοιχο ελατήριο σε ένα βαθμό που θα αποτελούσε ένδειξη της σωματιδιακής φύσης του φωτονίου.
Σε προηγούμενες εκδοχές του πειράματος με τις δύο σχισμές, οι φυσικοί είχαν συμπεριλάβει αυτό το «ελατήριο» και αυτό έπαιζε σημαντικό ρόλο στην περιγραφή της διπλής φύσης του φωτονίου. Ωστόσο, ο Ketterle και οι συνεργάτες του κατάφεραν να πραγματοποιήσουν το πείραμα χωρίς τα γνωστά «ελατήρια».
Το νέφος των ατόμων της ομάδας συγκρατείται αρχικά στη θέση του με φως λέιζερ, κάτι παρόμοιο με την ιδέα του Αϊνστάιν για τη σχισμή που αιωρείται με ελατήριο. Οι ερευνητές σκέφτηκαν ότι αν καταργούσαν το «ελατήριο» αυτό και παρατηρούσαν το ίδιο φαινόμενο, τότε θα αποδείκνυαν ότι το ελατήριο δεν επηρεάζει τη διπλή φύση κύματος/σωματιδίου του φωτονίου.
Αυτό ήταν ακριβώς που βρήκαν. Σε πολλαπλές δοκιμές, απενεργοποίησαν το λέιζερ που κρατούσε τα άτομα στη θέση τους, παίρνοντας στη συνέχεια μια γρήγορη μέτρηση μέσα σε ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, πριν τα άτομα γίνουν πιο «ασαφή» και πέσουν τελικά λόγω της βαρύτητας.
Σε αυτό το πολύ μικρό χρονικό διάστημα, τα άτομα αιωρούνταν ουσιαστικά ελεύθερα στο χώρο. Σε αυτό το σενάριο χωρίς ελατήρια, η ομάδα παρατήρησε το ίδιο φαινόμενο: Η κυματική και σωματιδιακή φύση του φωτονίου δεν μπορούσε να παρατηρηθεί ταυτόχρονα.
«Σε πολλές περιγραφές, τα ελατήρια παίζουν σημαντικό ρόλο. Αλλά εμείς δείχνουμε ότι όχι, τα ελατήρια δεν έχουν σημασία εδώ. Αυτό που μετράει είναι μόνο η ασαφής θέση των ατόμων», λέει ο Fedoseev. «Επομένως, πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια πιο βαθιά περιγραφή, που βασίζεται στις κβαντικές συσχετίσεις μεταξύ φωτονίων και ατόμων»
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι το 2025 έχει ανακηρυχθεί από τα Ηνωμένα Έθνη ως η Διεθνής Χρονιά της Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, γιορτάζοντας τα 100 χρόνια από τη διαμόρφωση της κβαντικής μηχανικής. Η συζήτηση μεταξύ των Μπορ και Αϊνστάιν για το πείραμα των δύο σχισμών έγινε μόλις δύο χρόνια μετά.
«Είναι μια υπέροχη σύμπτωση ότι καταφέραμε να βοηθήσουμε να ξεκαθαριστεί αυτή η ιστορική διαμάχη την ίδια χρονιά που γιορτάζουμε την κβαντική φυσική», αναφέρει μία από τους συγγραφείς, η Lee.
Αυτό το έργο υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (National Science Foundation), το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ (U.S. Department of Defense) και το Ίδρυμα Gordon και Betty Moore (Gordon and Betty Moore Foundation).