MIT dokázal, že se Einstein mýlil v nejslavnějším kvantovém experimentu

Na publikovaném obrázku je schéma experimentu MIT: Dva jednotlivé atomy plovoucí ve vakuové komoře jsou osvětleny laserovým paprskem a fungují jako dvě štěrbiny. Interference rozptýleného světla je zaznamenána vysoce citlivou kamerou zobrazenou jako stínidlo. Nekoherentní světlo se jeví jako pozadí a naznačuje, že foton se choval jako částice procházející pouze jednou štěrbinou.

Vědci z MIT (Massachusetts Institute of Technology) provedli nejpřesnější verzi slavného experimentu s dvojitou štěrbinou, přičemž za použití ultrachladných atomů a jednotlivých fotonů odhalili podivnou dvojí povahu světla jako vlny i částice.

Tento akt kvantového vyvažování – o kterém dlouho diskutovali Albert Einstein a Niels Bohr – byl testován bez tradičních „pružinových“ složek, místo toho se spoléhal na atomovou „rozmazanost“, aby potvrdil Bohrův názor: nelze pozorovat obě vlastnosti najednou. Experiment nejen ukazuje jemnosti kvantové mechaniky, ale také se vrací k historické vědecké rivalitě a řeší ji.

Dvojí identita světla: Kvantová záhada
Výzkumníci z MIT provedli vysoce propracovanou verzi jednoho z nejikoničtějších experimentů kvantové fyziky. Pomocí přesných technik v atomovém měřítku byli schopni podrobně prozkoumat záhadnou dvojí povahu světla. Jejich výsledky potvrdily něco, o čem se ve světě fyziky dlouho diskutovalo: v tomto případě byla Einsteinova představa o světle chybná.

Vysvětlení historického experimentu s dvojitou štěrbinou
Experiment, ke kterému se vrátili, je známý jako experiment s dvojitou štěrbinou. Poprvé jej v roce 1801 provedl britský vědec Thomas Young a původně měl dokázat, že se světlo chová jako vlna. S rozvojem kvantové mechaniky ve 20. století však experiment nabyl ještě většího významu. Stal se překvapivě přímočarým způsobem, jak odhalit hluboce matoucí pravdu: světlo se chová jako vlna i částice, ale nikdy ne současně.

V klasické verzi testu je paprsek světla směrován dvěma úzkými štěrbinami v bariéře, které leží vedle sebe. Na stínítku za ním se místo pouhých dvou světelných skvrn (jak byste očekávali, kdyby se světlo šířilo jako pevné částice) objeví pruhovaný vzor světlých a tmavých pásů. Tento vlnovitý interferenční obrazec se velmi podobá tomu, co se stane, když se vodní vlnky kříží. Pokud se však pokusíte změřit, kterou štěrbinou světlo prochází, pruhy zmizí a světlo se chová jako jednotlivé částice.

Dnes je experiment s dvojitou štěrbinou stálicí ve středoškolských hodinách fyziky a používá se k ilustraci jedné z ústředních myšlenek kvantové teorie: fyzikální hmota, včetně světla, existuje ve vlnové i částicové formě. Rozhodující však je, že pozorování jedné formy způsobí, že druhá zmizí.

Einstein versus Bohr: Stoletá debata
Téměř před stoletím byl tento experiment středem přátelské debaty mezi fyziky Albertem Einsteinem a Nielsem Bohrem. V roce 1927 Einstein tvrdil, že fotonová částice by měla projít pouze jednou ze dvou štěrbin a přitom na tuto štěrbinu vytvářet mírnou sílu. Navrhl, že by bylo možné detekovat takovou sílu a zároveň pozorovat interferenční obrazec, a tím zároveň zachytit částicovou a vlnovou povahu světla. Bohr v reakci na to aplikoval kvantově mechanický princip neurčitosti a ukázal, že detekce dráhy fotonu by interferenční obrazec vymyla.

Vědci od té doby provedli několik verzí experimentu s dvojitou štěrbinou a všechny v různé míře potvrdily platnost kvantové teorie formulované Bohrem. Nyní fyzici z MIT provedli dosud nejvíce „idealizovanou“ verzi experimentu s dvojitou štěrbinou. Jejich verze experiment zredukovala na jeho kvantovou podstatu. Jako štěrbiny použili jednotlivé atomy a slabé světelné paprsky tak, aby každý atom rozptýlil maximálně jeden foton. Přípravou atomů v různých kvantových stavech byli schopni modifikovat informace, které atomy získávaly o dráze fotonů. Vědci tak potvrdili předpovědi kvantové teorie: Čím více informací bylo získáno o dráze (tj. částicové povaze) světla, tím menší byla viditelnost interferenčního obrazce.

Ultrachladné atomy: Vytvoření dokonalého uspořádání
„Einstein a Bohr by si nikdy nepomysleli, že je možné provést takový experiment s jednotlivými atomy a jednotlivými fotony,“ říká Wolfgang Ketterle, profesor fyziky na John D. MacArthur College a vedoucí týmu MIT. „To, co jsme udělali, je idealizovaný Gedankenův experiment.“

Jejich výsledky byly publikovány v časopise Physical Review Letters. Mezi Ketterleho spoluautory z MIT patří první autor Vitalij Fedosejev, Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee a Jiahao Lyu, kteří všichni pracují pro katedru fyziky MIT, Výzkumnou laboratoř elektroniky a Centrum pro ultrachladné atomy MIT-Harvard.

Ketterleho skupina na MIT experimentuje s atomy a molekulami, které ochlazují na teploty těsně nad absolutní nulou a uspořádávají do konfigurací, které omezují laserovým světlem. V těchto ultrachladných, pečlivě vyladěných mracích se mohou objevovat exotické jevy, které se vyskytují pouze v kvantovém měřítku jednotlivých atomů.

V nedávném experimentu se tým zabýval zdánlivě nesouvisející otázkou, jak rozptyl světla může odhalit vlastnosti materiálů složených z ultrachladných atomů.

„Uvědomili jsme si, že můžeme kvantifikovat míru, do jaké je tento proces rozptylu podobný částici nebo vlně, a rychle jsme si uvědomili, že tuto novou metodu můžeme použít k realizaci tohoto slavného experimentu velmi idealizovaným způsobem,“ říká Fedosejev z MIT.

Zmrazené mřížky a dráhy fotonů
Ve své nové studii tým pracoval s více než 10 000 atomy, které ochladil na teploty v mikrokelvinech. Použili pole laserových paprsků k uspořádání zmrazených atomů do rovnoměrně rozmístěné krystalické mřížkové konfigurace. V tomto uspořádání je každý atom dostatečně daleko od jakéhokoliv jiného atomu, takže každý z nich lze efektivně považovat za jeden, izolovaný a identický atom. A 10 000 takových atomů může produkovat signál, který je snadněji detekovatelný ve srovnání s jedním nebo dvěma atomy.

Zdroj: https://scitechdaily.com/mit-just-proved-einstein-wrong-in-the-most-famous-quantum-experiment/ a https://news.mit.edu/2025/famous-double-slit-experiment-holds-when-stripped-to-quantum-essentials-0728

autor: František Martinek