De peste 100 de ani, fizica cuantică ne-a învățat că lumina este atât undă, cât și particulă. Acum, cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) au realizat un experiment curajos folosind atomi individuali, care confirmă că, deși lumina se poate comporta fie ca o particulă, fie ca un foton, nu poate fi observată comportându-se ca ambele în același timp, scrie space.com.
Dezbaterea despre natura luminii datează de secole, încă din secolul al XVII-lea, din vremea lui Isaac Newton și Christiaan Huygens. Unii, precum Newton, credeau că lumina trebuie să fie alcătuită din particule, pentru a explica de ce imaginile în oglindă sunt clare și de ce nu putem vedea după colțuri. Totuși, Huygens și alții au subliniat că lumina manifestă un comportament de undă, precum difracția și refracția.
În 1801, fizicianul Thomas Young a conceput celebrul experiment al celor două fante, în care a proiectat o sursă coerentă de lumină prin două fante înguste, pe un ecran. Dacă lumina ar fi fost doar o particulă, ne-am fi așteptat să vedem două pete luminoase suprapuse pe ecran, pe măsură ce fotonii treceau prin fiecare dintre fante.
În schimb, Young a descoperit că lumina se răspândea pe perete într-un model de interferență cu dungi alternative de lumină și întuneric. Aceasta putea fi explicată doar dacă undele de lumină se răspândeau din fiecare fantă și interacționau între ele, rezultând interferență constructivă și distructivă.
Un secol mai târziu, Max Planck a arătat că lumina și căldura sunt emise în mici pachete numite cuante, iar Albert Einstein a demonstrat că o cuantă de lumină este o particulă numită foton. În plus, fizica cuantică a arătat că fotonii manifestă și un comportament de undă. Așadar, atât Newton, cât și Huygens aveau dreptate: lumina este și undă, și particulă. Acest fenomen straniu se numește dualitatea undă-particulă.
Totuși, principiul incertitudinii afirmă că nu putem observa niciodată un foton comportându-se simultan ca undă și ca particulă. Părintele fizicii cuantice, Niels Bohr, a numit asta „complementaritate”, adică ideea că proprietățile complementare ale unui sistem cuantic, cum ar fi comportamentul de undă și cel de particulă, nu pot fi măsurate simultan.
Einstein nu a fost niciodată un admirator al caracterului aleatoriu pe care complementaritatea și principiul incertitudinii îl introduceau în legile naturii.
Așadar, a căutat modalități de a le contrazice și, în acest scop, a revenit la clasicul experiment al celor două fante al lui Young. El a susținut că, atunci când un foton trece printr-una dintre fante, pereții fantei ar trebui să simtă o mică forță, fiind „atinși” de fotonul în trecere. În acest fel, spunea el, am putea măsura simultan lumina ca particulă, trecând prin fantă, și ca undă, interacționând cu alți fotoni.
Bohr nu a fost de acord. Principiul incertitudinii descrie cum, de exemplu, nu putem cunoaște simultan impulsul și poziția exactă a unui foton - ambele proprietăți fiind complementare. Prin urmare, a explicat Bohr, măsurarea „atingerii” fotonului ar duce doar la ștergerea comportamentului de undă, iar modelul de interferență al experimentului cu două fante ar fi înlocuit de două pete luminoase.
Experimentele realizate de-a lungul timpului i-au dat dreptate lui Bohr, dar a existat mereu o îndoială: aparatura masivă ar fi putut introduce efecte care mascau posibilitatea de a vedea lumina simultan ca undă și ca particulă.
Pentru a clarifica acest lucru, echipa MIT condusă de fizicienii Wolfgang Ketterle și Vitaly Fedoseev a redus experimentul cu două fante la cel mai simplu aparat posibil, la scară atomică.
Folosind lasere, au aliniat 10.000 de atomi individuali, răciți la doar câteva fracțiuni de grad deasupra zero-ului absolut. Fiecare atom a acționat ca o fantă, în sensul că fotonii se puteau dispersa în direcții diferite, iar în urma a numeroase încercări, au produs un model de zone luminoase și întunecate, bazat pe probabilitatea ca un foton să fie dispersat mai mult într-o direcție decât în alta. Astfel, dispersia a produs același model de difracție ca în experimentul cu două fante.
„Ceea ce am făcut poate fi considerat o nouă variantă a experimentului cu două fante. Acești atomi singulari sunt ca cele mai mici fante pe care le-ai putea construi vreodată”, a precizat Ketterle.
Experimentul a arătat că Bohr a avut cu siguranță dreptate când a susținut complementaritatea, iar Einstein s-a înșelat. Cu cât era măsurată mai mult „atingerea” atomilor, cu atât modelul de difracție devenea mai slab, deoarece fotonii măsurați ca particule nu mai interferau cu cei care nu fuseseră măsurați ca particule.
Experimentele au demonstrat, de asemenea, că aparatura - în acest caz, fasciculele laser care țineau atomii în loc - nu afecta rezultatele. Echipa lui Ketterle și Fedoseev a reușit să oprească laserele și să facă o măsurătoare în mai puțin de o milionime de secundă, înainte ca atomii să apuce să se miște sub influența gravitației. Rezultatul a fost mereu același: natura duală a luminii, undă și particulă, nu putea fi observată simultan.
„Ceea ce contează este doar neclaritatea atomilor”, a explicat Fedoseev.
Această neclaritate se referă la incertitudinea cuantică ce învăluie poziția exactă a unui atom, conform principiului incertitudinii. Ea poate fi ajustată în funcție de cât de ferm sunt ținuți atomii de lasere și, cu cât atomii sunt mai „neclari” și ținuți mai lejer, cu atât simt mai mult atingerea fotonilor, dezvăluind astfel lumina ca particulă.
„Einstein și Bohr nu și-ar fi imaginat niciodată că un asemenea experiment este posibil, cu atomi și fotoni singulari”, mai spune Ketterle.
Experimentul întărește și mai mult ciudățenia fizicii cuantice, unde particulele au o natură duală, iar noi nu putem măsura simultan proprietăți complementare precum dacă lumina este undă sau particulă, ori poziția și impulsul unei particule.
Universul pare să funcționeze pe baza probabilității, iar proprietățile emergente pe care le vedem în lumea cuantică nu sunt altceva decât manifestări statistice ale interacțiunilor dintre numeroase particule, care, spre dezamăgirea lui Einstein, „aruncă zarurile”.
Cercetarea a fost publicată pe 22 iulie în revista Physical Review Letters.
Ştiri video recomandate
