Более века квантовая физика учила нас, что свет обладает двойственной природой — он одновременно волна и частица. Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) провели новаторский эксперимент с одиночными атомами, который окончательно подтвердил: свет не может проявлять свойства волны и частицы одновременно. Это исследование, опубликованное 22 июля 2025 года в журнале Physical Review Letters, ставит точку в споре между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором о природе света.

Двойственная природа света: истоки спора

Как рассказывает Space.com, дебаты о том, является ли свет волной или частицей, начались ещё в XVII веке. Исаак Ньютон считал свет потоком частиц, что объясняло чёткость отражений в зеркале и невозможность видеть за углами. В то же время Христиан Гюйгенс утверждал, что свет ведёт себя как волна, демонстрируя дифракцию и преломление.

В 1801 году Томас Янг провёл знаменитый эксперимент с двойной щелью. Он направил когерентный свет через две узкие щели на экран и вместо двух пятен света, ожидаемых для частиц, увидел чередующиеся полосы света и тени — интерференционную картину, характерную для волн. Это доказало, что свет распространяется как волна, взаимодействуя сам с собой.

В начале XX века Макс Планк показал, что свет излучается в виде квантов энергии, а Альберт Эйнштейн назвал эти кванты фотонами — частицами света. Квантовая физика объединила обе идеи, введя концепцию волново-частичной двойственности: свет одновременно обладает свойствами волны и частицы. Однако принцип неопределённости Гейзенберга гласит, что эти свойства нельзя наблюдать одновременно.

Спор Эйнштейна и Бора

Нильс Бор, один из основателей квантовой механики, ввёл понятие комплементарности: взаимодополняющие свойства квантовой системы, такие как волновая и частичная природа света, не могут быть измерены одновременно. Эйнштейн, не принимавший случайность квантовой механики, пытался опровергнуть это, обратившись к эксперименту с двойной щелью. Он предположил, что при прохождении фотона через щель её стенки должны испытывать лёгкое воздействие — «шелест» от частицы. Это позволило бы измерить свет как частицу (по «шелесту») и как волну (по интерференции).

Бор возражал: согласно принципу неопределённости, измерение «шелеста» (то есть импульса фотона) разрушит волновую картину, и интерференция исчезнет, оставив лишь два ярких пятна на экране. Многолетние эксперименты подтверждали правоту Бора, но громоздкое оборудование оставляло сомнения: вдруг оно искажало результаты?

Новый эксперимент MIT

Команда MIT под руководством физиков Вольфганга Кеттерле и Виталия Федосеева упростила эксперимент до атомного масштаба. Используя лазеры, они расположили 10 000 одиночных атомов, охлаждённых до долей градуса выше абсолютного нуля. Каждый атом играл роль «щели»: фотоны рассеивались на атомах, создавая интерференционную картину, аналогичную двойной щели.

Исследователи измеряли, как фотоны «шелестят» атомами, фиксируя их частичную природу. Чем точнее измерялся этот «шелест», тем слабее становилась интерференционная картина, подтверждая комплементарность Бора. Лазеры, удерживающие атомы, отключались за миллионную долю секунды до измерения, чтобы исключить их влияние. Результат оставался неизменным: волновая и частичная природа света не могут наблюдаться одновременно.

«Мы создали новую версию эксперимента с двойной щелью, где одиночные атомы — это самые маленькие щели, которые только можно представить», — отметил Кеттерле.

Ключевая роль «квантовой размытости»

Решающим фактором оказалась «квантовая размытость» — неопределённость в положении атомов, обусловленная принципом неопределённости. Чем слабее лазеры удерживали атомы, тем сильнее проявлялась эта размытость, позволяя фиксировать «шелест» фотонов как частиц, но разрушая волновую интерференцию. Это доказало, что ограничение связано не с оборудованием, а с фундаментальными законами квантовой механики.

«Эйнштейн и Бор не могли представить, что такой эксперимент возможен с одиночными атомами и фотонами», — добавил Кеттерле.

Что это значит?

Эксперимент MIT подтверждает странность квантовой физики: свет действительно обладает двойственной природой, но мы не можем видеть его как волну и частицу одновременно. Вселенная, похоже, играет в «кости», как выразился бы Эйнштейн, а наблюдаемые нами свойства — лишь статистический результат взаимодействия множества частиц. Это исследование укрепляет основы квантовой теории и открывает путь к новым экспериментам на атомном уровне, которые могут приблизить нас к пониманию квантового мира.