Австралийские физики впервые показали в эксперименте, что не только фотоны, но и атомы не могут «выбирать» кем им быть, волной или частицей – соответствующее состояние становится реальностью в тот момент, когда производится измерение, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

Квантово-волновой дуализм, то есть способность одного и того же объекта вести себя как волна или частица, остается одним из самых непостижимых утверждений квантовой физики. Например, фотон в эксперименте может проявляться как волна, например, создавая интерференционную картину, но если изменить установку, то он «превращается» в частицу – все зависит от того, каким именно образом мы за ним наблюдаем.

Здравый смысл заставляет предположить, что фотон каким-то образом заранее «знает» какого рода экспериментальное оборудование его ожидает, и становится либо волной, либо частицей. Однако в 1978 году американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер предложил мысленный эксперимент, который показывает абсурдность этого предположения.

«Мысленная» экспериментальная установка Уилера представляет собой интерферометр Маха-Цандера с двумя полупрозрачными зеркалами – светоделителями. Фотон попадает на первое полупрозрачное зеркало и «расходится» по двум каналам (в одном из которых он чуть-чуть «задерживается» с помощью толстого стекла). Затем эти каналы сходятся на втором полупрозрачном зеркале, где фотон, как и положено волне, испытывает интерференцию – ее результаты видят два детектора.

Но если убрать второе зеркало, то интерференция пропадет, а фотон будет проявлять себя как частица, то есть его будет «видеть» только один из детекторов.

Проблемы у здравого смысла возникают, если предположить, что второй светоделитель убирают (или не убирают) после того, как фотон уже попал в установку и уже должен был «определиться» – волна он или частица. В таком эксперименте фотон никак не может «предугадать» какой вариант эксперимента его ждет.

Схема мысленного эксперимента Уилера

В 2006 году мысленный эксперимент Уилера был впервые проведен в реальности. Ученые переключали интерферометр между двумя состояниями с помощью генератора случайных чисел, который срабатывал в течение 80 наносекунд (а фотону нужно было лететь 160 наносекунд). Результат показал, что у фотонов нет никакого «предзнания».

В 2012 году ученые модифицировали опыт Уилера, поставив его так, что интерферометр можно было переключать уже после того, как фотон «долетел», то есть менять его свойства уже после того, как событие произошло. В двух экспериментах, которые физик Сет Ллойд назвал проявлением «квантовой прокрастинации», ученые отправляли в интерферометр один из пары «запутанных» фотонов. Они находились в суперпозиции двух состояний – вертикальной и горизонтальной поляризации, одно соответствовало «включенному» светоделителю, другое – «выключенному». Измерение состояния второго фотона в паре приводило к тому, что состояние первого также становилось определенным, причем эти измерения можно было провести уже после того, как фотон прошел через интерферометр, то есть изменить его состояние «задним числом».

Теперь Эндрю Траскотт и Роман Хакимов из Австралийского национального университета и их коллеги впервые показали, что эксперимент Уилера можно выполнить не только с фотонами, но и с атомами.

Сначала физики получили Бозе-Эйнштейновский конденсат из ультрахолодных атомов гелия (температура менее 1 нанокельвина), и испаряли его, пока не оставался один атом. Затем этот атом высвобождали из оптической ловушки, и он падал вниз под действием гравитации. На пути его встречала брэгговская решетка из импульсов лазера, которая работала подобно светоделителю в классическом опыте Уилера – она «расщепляла» атом на две равновероятные траектории. Затем, в соответствии с «указанием» генератора случайных чисел, срабатывала или не срабатывала вторая решетка. Она либо комбинировала два момента, как если бы атом летел по двум траекториям сразу (как «волна»), либо же он летел по одному из рукавов интерферометра как частица.

Измерения дали те же результаты, что и прежние эксперименты с фотонами: атомы вел себя в точном соответствии с методом измерения. Авторы эксперимента подчеркивают, что атом не выбирает, кем ему быть – «волной» или «частицей», его «облик» возникает в тот момент, когда производится измерение.