Что представляют собой фотоны? Частицы или электромагнитные волны? Этот фундаментальный вопрос преследует ученых-физиков в течение многих десятилетий. И до последнего момента времени на него не было дано однозначного ответа из-за того, что свет имеет двойственную природу. Однако, во всех экспериментах, проводимых ранее учеными, свет имел свойства волны или свойства частицы, но никогда эти две стороны природы света не проявлялись одновременно.

Теперь, впервые в истории науки, новый эксперимент продемонстрировал свет, ведущий себя и как частица и как волна одновременно, показывая истинный характер света и целого квантового мира. Такое поведение характерно не только для фотонов света, двойственную природу демонстрируют и другие субатомные частицы, включая электроны, кварки и даже не так давно обнаруженная частица, обладающая характеристиками неуловимого бозона Хиггса. Такая двойственная природа называется корпускулярно-волновым дуализмом (wave-particle duality) и она является одним из фундаментальных принципов теории квантовой механики.

Готовясь к проведению нового эксперимента, ученые задались вопросом, что является своего рода «выключателем», положение которого определяет то, чем является фотон света в текущий момент времени, волной или частицей? Или свет всегда является и частицей и волной одновременно?

Для того, что бы найти ответы на эти вопросы ученые разработали принципиально новые методики измерений, которые могут обнаружить сразу волновую и корпускулярную составляющие света. Эти методики полагаются на очень странный квантовый эффект, называемый квантовой нелокальностью (quantum nonlocality), парадоксальное понятие, которое сводится к идее, что одна и та же самая частица может находиться одновременно в двух различных местоположениях.

Рис. 1.

«Наш научный прибор обнаружил очень сильное проявление эффекта квантовой нелокальности, что явилось подтверждением того, что фотон вел себя одновременно как частица и как волна в нашем эксперименте» – рассказывает Альберто Перуссо (Alberto Peruzzo), ученый-физик из Бристольского университета. – «Результаты наших измерений являются опровержением тех теорий, которые опровергают двойственную природу света и утверждают, что фотон света является исключительно волной или исключительно частицей».

Согласно статье, изданной в журнале Science от 2 ноября, проведенный эксперимент использовал еще один странный аспект квантовой механики – явление квантовой запутанности. Это явление заключается в том, что

две частицы могут быть запутаны так, что воздействия, оказываемые на одну из частиц, моментально оказывают влияние на другую частицу, независимо от расстояния, разделяющего эти частицы.

Используя явление квантовой запутанности, ученые в своем эксперименте «позволили» фотонам света задержаться некоторое время в двойственном состоянии, прежде чем перейти к волновому состоянию или состоянию частицы.

Сет Ллойд (Seth Lloyd), ученый-физик из Массачусетского технологического института, который не принимал участия в эксперименте, но занимался проверкой и анализом полученных данных, назвал этот эксперимент и полученные результаты «смелыми» с научной точки зрения.

Согласно его заявлению,

даже тот факт, что ученым удалось искусственно задержать на несколько наносекунд переход фотонов к состоянию частицы или волны, это пограничное состояние может еще и не являться двойственным состоянием фотонов.