Ավելի քան մեկ դար քվանտային ֆիզիկան սովորեցրել է մեզ, որ լույսն ունի երկակի բնույթ՝ այն միաժամանակ և՛ ալիք է, և՛ մասնիկ: Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտի (MIT) գիտնականները նորարարական փորձ են անցկացրել միայնակ ատոմներով, որը վերջնականապես հաստատել է, որ լույսը չի կարող միաժամանակ դրսևորել ալիքի և մասնիկի հատկությունները: Այս հետազոտությունը, որը հրապարակվել է 2025 թվականի հուլիսի 22-ին Physical Review Letters ամսագրում, վերջակետ է դնում Ալբերտ Այնշտայնի և Նիլս Բորի միջև լույսի բնույթի մասին վեճին:

Լույսի երկակի բնույթը. վեճի արմատները

Ինչպես պատմում է Space.com-ը, լույսի՝ ալիք լինելու կամ մասնիկ լինելու մասին բանավեճը սկսվել է դեռևս 17-րդ դարում: Իսահակ Նյուտոնը համարում էր, որ լույսը մասնիկների հոսք է, ինչը բացատրում էր հայելու մեջ արտացոլումների հստակությունը և անկյուններից այն կողմ տեսնելու անհնարինությունը: Միևնույն ժամանակ, Քրիստիան Հյույգենսը պնդում էր, որ լույսը վարվում է որպես ալիք՝ ցուցաբերելով դիֆրակցիա և բեկում:

1801 թվականին Թոմաս Յանգը անցկացրեց հայտնի կրկնակի ճեղքի փորձը: Նա կոհերենտ լույսն ուղղեց երկու նեղ ճեղքերի միջով դեպի էկրան և մասնիկների համար սպասվող երկու լուսային բծերի փոխարեն տեսավ լույսի և ստվերի փոփոխվող գոտիներ՝ ինտերֆերենցիոն պատկեր, որը բնորոշ է ալիքներին: Սա ապացուցեց, որ լույսը տարածվում է որպես ալիք՝ փոխգործակցելով ինքն իր հետ:

20-րդ դարի սկզբին Մաքս Պլանկը ցույց տվեց, որ լույսն արձակվում է էներգիայի քվանտներով, իսկ Ալբերտ Այնշտայնն այդ քվանտները անվանեց ֆոտոններ՝ լույսի մասնիկներ: Քվանտային ֆիզիկան միավորեց երկու գաղափարները՝ ներմուծելով ալիք-մասնիկային երկակիության կոնցեպտը. լույսը միաժամանակ ունի և՛ ալիքի, և՛ մասնիկի հատկություններ: Այնուամենայնիվ, Հայզենբերգի անորոշության սկզբունքը պնդում է, որ այդ հատկությունները չեն կարող միաժամանակ դիտարկվել:

Այնշտայնի և Բորի վեճը

Նիլս Բորը, քվանտային մեխանիկայի հիմնադիրներից մեկը, ներմուծեց կոմպլեմենտարության (փոխլրացման) հասկացությունը. քվանտային համակարգի փոխլրացնող հատկությունները, ինչպիսիք են լույսի ալիքային և մասնիկային բնույթը, չեն կարող միաժամանակ չափվել: Այնշտայնը, ով չէր ընդունում քվանտային մեխանիկայի պատահականությունը, փորձում էր հերքել սա՝ դիմելով կրկնակի ճեղքի փորձին: Նա ենթադրեց, որ ֆոտոնի՝ ճեղքով անցնելու ժամանակ ճեղքի պատերը պետք է զգան թեթև ազդեցություն՝ «շշուկ» մասնիկից: Սա թույլ կտար չափել լույսը որպես մասնիկ (ըստ «շշուկի») և որպես ալիք (ըստ ինտերֆերենցիայի):

Բորը հակադարձեց. համաձայն անորոշության սկզբունքի, «շշուկի» չափումը (այսինքն՝ ֆոտոնի իմպուլսը) կխաթարի ալիքային պատկերը, և ինտերֆերենցիան կվերանա՝ էկրանին թողնելով միայն երկու վառ բծեր: Բազմամյա փորձերը հաստատում էին Բորի ճշմարտությունը, սակայն ծանր սարքավորումները թողնում էին կասկածներ. գուցե դրանք խեղաթյուրում էին արդյունքները:

MIT-ի նոր փորձը

Ֆիզիկոսներ Վոլֆգանգ Կետերլեի և Վիտալի Ֆեդոսեևի ղեկավարությամբ MIT-ի թիմը պարզեցրեց փորձը մինչև ատոմային մակարդակ: Օգտագործելով լազերներ՝ նրանք տեղադրեցին 10,000 միայնակ ատոմ, որոնք սառեցվել էին մինչև բացարձակ զրոյից մի քանի կոտորակ աստիճան: Յուրաքանչյուր ատոմ խաղում էր «ճեղքի» դեր. ֆոտոնները ցրվում էին ատոմների վրա՝ ստեղծելով ինտերֆերենցիոն պատկեր, որը նման է կրկնակի ճեղքի փորձին:

Հետազոտողները չափում էին, թե ինչպես են ֆոտոնները «շշնջում» ատոմներին՝ ֆիքսելով դրանց մասնիկային բնույթը: Որքան ճշգրիտ էր չափվում այդ «շշուկը», այնքան թույլ էր դառնում ինտերֆերենցիոն պատկերը՝ հաստատելով Բորի կոմպլեմենտարությունը: Ատոմները պահող լազերներն անջատվում էին չափումից միլիոնավոր վայրկյանի ընթացքում՝ բացառելու դրանց ազդեցությունը: Արդյունքը մնում էր անփոփոխ. լույսի ալիքային և մասնիկային բնույթը չեն կարող միաժամանակ դիտարկվել:

«Մենք ստեղծեցինք կրկնակի ճեղքի փորձի նոր տարբերակ, որտեղ միայնակ ատոմները ամենափոքր ճեղքերն են, որոնք կարելի է պատկերացնել», — նշել է Կետերլեն:

«Քվանտային մշուշի» կարևոր դերը

Վճռորոշ գործոնը «քվանտային մշուշն» էր՝ ատոմների դիրքի անորոշությունը, որը պայմանավորված է անորոշության սկզբունքով: Որքան թույլ էին լազերները պահում ատոմները, այնքան ավելի էր արտահայտվում այդ մշուշը՝ թույլ տալով ֆիքսել ֆոտոնների «շշուկը» որպես մասնիկներ, բայց խաթարելով ալիքային ինտերֆերենցիան: Սա ապացուցեց, որ սահմանափակումը կապված չէ սարքավորումների հետ, այլ քվանտային մեխանիկայի հիմնարար օրենքների հետ:

«Այնշտայնը և Բորը չէին կարող պատկերացնել, որ նման փորձը հնարավոր է միայնակ ատոմներով և ֆոտոններով», — ավելացրել է Կետերլեն:

Ի՞նչ է սա նշանակում

MIT-ի փորձը հաստատում է քվանտային ֆիզիկայի տարօրինակությունը. լույսն իսկապես ունի երկակի բնույթ, բայց մենք չենք կարող այն միաժամանակ տեսնել որպես ալիք և մասնիկ: Տիեզերքը, կարծես, «խաղում է զառերով», ինչպես կասեր Այնշտայնը, և մեր դիտարկած հատկությունները միայն բազմաթիվ մասնիկների փոխգործակցության վիճակագրական արդյունք են: Այս հետազոտությունը ամրապնդում է քվանտային տեսության հիմքերը և ճանապարհ է բացում ատոմային մակարդակի նոր փորձերի համար, որոնք կարող են մեզ ավելի մոտեցնել քվանտային աշխարհի ընկալմանը: