Частица света, пойманная в двух местах одновременно, разрушила теорию квантовой физики

Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv, пишет New Scientist.

Свойство фотона: эксперимент с двумя щелями

Во время усовершенствованной версии знаменитого эксперимента с двумя щелями физики напрямую измерили один фотон в двух местах одновременно. И результаты эксперимента разрушают идею о мультивсленной.

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

Эксперимент с двумя щелями, впервые проведенный в 1801 году, сыграл ключевую роль в развитии квантовой механики. Эксперимент с двумя щелями показал, что свет представляет собой не только частицу, но и электромагнитную волну. В эксперименте с двумя щелями частицы свет, фотоны, проходят через две соседние узкие щели и попадает на экран, где он образует яркие и темные вертикальные полосы, называемые интерференционной картиной.

• Фотон является фундаментальной частицей и переносчиком электромагнитной силы, одной из четырех сил природы. У частицы свет нет массы, и она может существовать только если двигается со скоростью света, то есть 300 000 км/с.
• Интерференция представляет собой перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких волн света.

Эксперимент с двумя щелями показал, что когда свет проходит через две щели, он создает волновую интерференционную картину на экране. Как ни странно, это происходит даже тогда, когда частицы света двигаются одна за другой, казалось бы, не имея возможности интерферировать друг с другом.

Многие физики считают это доказательством того, что даже один фотон имеет свойство волны, которое можно описать его волновой функцией, которая описывает все возможные местоположения фотона в пространстве. Считается, что именно волновая природа фотона позволяет ему проходить через обе щели одновременно.

Но загадочным образом размещение детектора у каждой щели в попытке определить, через какую из них проходит фотон, разрушает интерференционную картину. Считается, что это результат разрушения волновой функции из-за измерения и локализации в пространстве, что ограничивает способность фотона проходить через обе щели. Но истинная природа волновой функции, то есть существует ли она на самом деле или является просто математическим описанием реальности, остается предметом споров среди физиков.

Теория квантовой физики о параллельных Вселенных

Некоторые ученые являются приверженцами такой теории в квантовой физике, как многомировая интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование одновременно в суперпозиции множественных параллельных Вселенных. Каждая их них содержит фотоны, которые двигаются разными путями, и оба этих пути могут интерферировать друг с другом. Детектор, установленный на одной из щелей, заставит реальность разделиться и выбрать одну из этих Вселенных.

Но авторы нового исследования утверждают, что у них есть прямые доказательства того, что этот фотон проходит через обе щели, используя более сложную версию эксперимента с двумя щелями. Эксперимент показывает, что волновая функция в меньшей степени является математическим инструментом и ближе к тому, что происходит на самом деле.

Эксперимент бросает вызов теории о мультивселенной

Физики использовали интерферометр, который разделяет волновую функцию фотона между двумя путями с помощью своего рода зеркала, прежде чем оба пути снова встретятся на выходе, где два детектора измеряли интерференционную картину фотона. Подобно эксперименту с двумя щелями, эта интерференция предполагает, что фотон прошел по обоим путям, но снова невозможно точно измерить, по какому пути, не нарушив волновую функцию.

Чтобы решить эту проблему, физии использовали специальный метод измерения. Они добавили стеклянную пластину, которая слегка скручивает фотон, изменяя его поляризацию, то есть направление движения к отдельным частям интерферометра.

Измеряя поляризацию фотона на двух выходах и сравнивая, как часто поляризация менялась в каждом в течение многих запусков эксперимента, физики обнаружили, что их результаты соответствуют сценарию, в котором один фотон делокализован и прошел через два детектора интерферометра.

Тот факт, что ученые смогли выполнить это измерение, бросает вызов многомировой интерпретации квантовой механики, потому что это устраняет необходимость в суперпозиции разных Вселенных.

• В квантовой механике суперпозиция — это фундаментальный принцип, который гласит, что квантовая система, например, фотон, может существовать одновременно во всех возможных своих состояниях до тех пор, пока не будет произведено измерение. Только в момент измерения система выбирает одно из этих состояний, и все остальные возможности разрушаются.

Как уже писал Фокус, физики подвергли сомнению правильность эксперимента с двумя щелями. Новая теория ставит под сомнение саму природу света.

Еще Фокус писал о том, что астрофизик объяснил, что происходит с частицами света, когда они перемещаются по космосу и могут ли они терять свою энергию.

Также Фокус писал о том, что атмосфера крупнейшего спутника Сатурна Титан ведет себя странным образом и астрономы не могут это объяснить.