Частинка світла, спіймана у двох місцях одночасно, зруйнувала теорію квантової фізики

Дослідження опубліковано на сервері препринтів arXiv, пише New Scientist.

Властивість фотона: експеримент із двома щілинами

Під час вдосконаленої версії знаменитого експерименту з двома щілинами фізики напряму виміряли один фотон у двох місцях одночасно. І результати експерименту руйнують ідею про мультивсленність.

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

Експеримент із двома щілинами, вперше проведений у 1801 році, зіграв ключову роль у розвитку квантової механіки. Експеримент із двома щілинами показав, що світло являє собою не тільки частинку, а й електромагнітну хвилю. В експерименті з двома щілинами частинки світла, фотони, проходять через дві сусідні вузькі щілини і потрапляють на екран, де вони утворюють яскраві й темні вертикальні смуги, які називаються інтерференційною картиною.

• Фотон є фундаментальною частинкою і переносником електромагнітної сили, однієї з чотирьох сил природи. У частинки світло немає маси, і вона може існувати тільки якщо рухається зі швидкістю світла, тобто 300 000 км/с.
• Інтерференція являє собою перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення декількох хвиль світла.

Експеримент із двома щілинами показав, що коли світло проходить через дві щілини, воно створює хвильову інтерференційну картину на екрані. Як не дивно, це відбувається навіть тоді, коли частинки світла рухаються одна за одною, здавалося б, не маючи можливості інтерферувати одна з одною.

Багато фізиків вважають це доказом того, що навіть один фотон має властивість хвилі, яку можна описати його хвильовою функцією, що описує всі можливі місця розташування фотона в просторі. Вважається, що саме хвильова природа фотона дозволяє йому проходити через обидві щілини одночасно.

Але загадковим чином розміщення детектора біля кожної щілини в спробі визначити, через яку з них проходить фотон, руйнує інтерференційну картину. Вважається, що це результат руйнування хвильової функції через вимірювання та локалізацію в просторі, що обмежує здатність фотона проходити через обидві щілини. Але справжня природа хвильової функції, тобто чи існує вона насправді або є просто математичним описом реальності, залишається предметом суперечок серед фізиків.

Теорія квантової фізики про паралельні Всесвіти

Деякі вчені є прихильниками такої теорії в квантовій фізиці, як багатосвітова інтерпретація квантової механіки, яка передбачає існування одночасно в суперпозиції множинних паралельних Всесвітів. Кожен з них містить фотони, які рухаються різними шляхами, і обидва ці шляхи можуть інтерферувати один з одним. Детектор, встановлений на одній зі щілин, змусить реальність розділитися і вибрати один із цих Всесвітів.

Але автори нового дослідження стверджують, що у них є прямі докази того, що цей фотон проходить через обидві щілини, використовуючи складнішу версію експерименту з двома щілинами. Експеримент показує, що хвильова функція меншою мірою є математичним інструментом і ближче до того, що відбувається насправді.

Експеримент кидає виклик теорії про мультивсесвіт

Фізики використовували інтерферометр, який розділяє хвильову функцію фотона між двома шляхами за допомогою свого роду дзеркала, перш ніж обидва шляхи знову зустрінуться на виході, де два детектори вимірювали інтерференційну картину фотона. Подібно до експерименту з двома щілинами, ця інтерференція припускає, що фотон пройшов обома шляхами, але знову неможливо точно виміряти, яким шляхом, не порушивши хвильову функцію.

Щоб розв'язати цю проблему, фізії використали спеціальний метод вимірювання. Вони додали скляну пластину, яка злегка скручує фотон, змінюючи його поляризацію, тобто напрямок руху до окремих частин інтерферометра.

Вимірюючи поляризацію фотона на двох виходах і порівнюючи, як часто поляризація змінювалася в кожному протягом багатьох запусків експерименту, фізики виявили, що їхні результати відповідають сценарію, в якому один фотон делокалізовано, і він пройшов через два детектори інтерферометра.

Той факт, що вчені змогли виконати цей вимір, кидає виклик багатосвітовій інтерпретації квантової механіки, тому що це усуває необхідність у суперпозиції різних Всесвітів.

• У квантовій механіці суперпозиція — це фундаментальний принцип, який свідчить, що квантова система, наприклад, фотон, може існувати одночасно у всіх можливих своїх станах, допоки не буде проведено вимірювання. Тільки в момент вимірювання система вибирає один із цих станів, і всі інші можливості руйнуються.

Як уже писав Фокус, фізики піддали сумніву правильність експерименту з двома щілинами. Нова теорія ставить під сумнів саму природу світла.

Ще Фокус писав про те, що астрофізик пояснив, що відбувається з частинками світла, коли вони переміщуються космосом і чи можуть вони втрачати свою енергію.

Також Фокус писав про те, що атмосфера найбільшого супутника Сатурна Титан поводиться дивним чином і астрономи не можуть це пояснити.