Свет решил головоломку Эйнштейна: десять тысяч атомов против одного парадокса Максим Наговицын 10.12.2025 1729 Самый знаменитый квантовый парадокс удалось воспроизвести в такой чистой форме, о которой его авторы могли только мечтать. Источник: нейросеть Физики из Массачусетского технологического института провели идеализированный вариант одного из самых знаменитых экспериментов в квантовой физике. Их результаты с атомарной точностью демонстрируют двойственную и ускользающую природу света. И, по сути, подтверждают, что Альберт Эйнштейн ошибался в этой конкретной квантовой ситуации. Речь идет об опыте с двумя щелями, который впервые провел британский ученый Томас Юнг в 1801 году, чтобы показать волновые свойства света. Сегодня, с развитием квантовой механики, этот эксперимент известен своим простым и поразительным доказательством странной реальности: свет существует и как частица, и как волна одновременно. Что еще удивительнее, эту двойственность нельзя увидеть сразу. Наблюдение света в виде частиц мгновенно скрывает его волновую природу, и наоборот. В оригинальном опыте луч света направляли на экран с двумя параллельными прорезями и смотрели на рисунок, который возникал на втором, дальнем экране. Казалось бы, должны появиться два световых пятна, как если бы свет был потоком частиц-фотонов, летящих по прямой. Но вместо этого свет создает чередующиеся светлые и темные полосы — интерференционную картину, похожую на ту, что возникает при встрече двух кругов на воде. Это говорит о волновом поведении. Еще страннее: если попытаться измерить, через какую именно щель прошел свет, он внезапно ведет себя как частица, и интерференционная картина исчезает. Сейчас этот опыт изучают в школах как наглядную иллюстрацию основы квантовой механики: все физические объекты, включая свет, одновременно являются и частицами, и волнами. Почти сто лет назад эксперимент оказался в центре дружеской дискуссии между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. В 1927 году Эйнштейн утверждал, что фотон-частица должен проходить только через одну из двух щелей и в процессе создавать крошечную силу, воздействующую на эту щель, подобно птице, задевающей лист на лету. Он предполагал, что можно зафиксировать эту силу и одновременно наблюдать интерференционную картину, тем самым поймав и частицу, и волну в одном флаконе. Бор, применяя квантовый принцип неопределенности, доказал, что любая попытка определить путь фотона разрушит интерференцию. С тех пор ученые провели множество версий опыта, в разной степени подтвердивших правоту квантовой теории Бора. Теперь же физики из MIT выполнили самый «идеализированный» вариант на сегодня. Они упростили эксперимент до квантовой сути. Что они сделали: Использовали отдельные атомы в роли щелей. Применяли очень слабые лучи света, чтобы каждый атом рассеивал не более одного фотона. Готовили атомы в разных квантовых состояниях, что позволяло управлять информацией о пути фотона. Результаты подтвердили предсказания теории: чем больше информации получали о пути (то есть о частице), тем слабее была видна интерференционная картина (волна). Они наглядно показали, в чем ошибся Эйнштейн: как только атом «встревожен» пролетающим фотоном, волновая интерференция уменьшается. Эйнштейн и Бор даже не могли подумать, что такой эксперимент с отдельными атомами и фотонами вообще возможен, — говорит Вольфганг Кеттерле, профессор физики и руководитель группы MIT. — Мы провели идеализированный мысленный эксперимент. Их результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Холод и порядок Группа Кеттерле работает с атомами и молекулами, которые охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю, и удерживают в заданных конфигурациях с помощью лазеров. В таких ультрахолодных облаках проявляются квантовые явления, происходящие на уровне отдельных атомов. Изначально команда изучала, как рассеяние света может раскрыть свойства материалов из сверхохлажденных атомов. Мы поняли, что можем измерить, насколько этот процесс рассеяния похож на частицу или волну, и быстро осознали, что этот метод позволит нам воспроизвести знаменитый эксперимент в идеальном виде, — говорит первый автор работы Виталий Федосеев. В новом исследовании команда использовала более 10 000 атомов, охлажденных до микрокельвинов. Лазерным лучом их расположили в кристаллическую решетку. На таком расстоянии друг от друга каждый атом можно считать изолированным и идентичным. А 10 000 атомов дают сигнал, который гораздо легче зафиксировать, чем от одного или двух. Ученые решили, что такая схема позволит направить слабый луч света на атомы и посмотреть, как одиночный фотон рассеивается на двух соседних атомах — как волна или как частица. Это аналогично прохождению света через две щели. То, что мы сделали, можно считать новой версией опыта с двумя щелями, — говорит Кеттерле. — Эти отдельные атомы — самые маленькие щели, которые только можно вообразить. Настройка неопределенности Работа с одиночными фотонами требовала многократных повторений и сверхчувствительного детектора. По интенсивности рассеянного света можно было напрямую определить, вел себя свет как частица или как волна. Исследователей особенно интересовала ситуация, когда половина фотонов вела себя как волны, а половина — как частицы. Они добились этого, настраивая «размытость» атома, то есть неопределенность его положения. Каждый из 10 000 атомов удерживается лазерным светом, силу которого можно менять. Чем слабее удерживается атом, тем он „размытее“ и легче „встревожится“, записав путь фотона. Увеличивая размытость, ученые повышали вероятность проявления частицы. Наблюдения полностью совпали с теорией. Без пружин В классических рассуждениях о подобном опыте часто фигурируют «пружины» — гипотетические устройства, которые могли бы зафиксировать толчок от пролетающей частицы. Команда MIT провела эксперимент и без них. Лазер, удерживающий облако атомов, изначально играл роль такой пружины. Ученые предположили: если убрать „пружину“ и увидеть тот же эффект, значит, она не влияет на дуализм. Так и вышло. Они выключали лазер-»пружину» и проводили измерение за миллионную долю секунды, пока атомы, став очень размытыми, не начинали падать под действием гравитации. За это крошечное время атомы фактически парили в свободном пространстве. И в этом сценарии без пружины наблюдалось то же самое: волновая и корпускулярная природа фотона не могли быть видны одновременно. Во многих описаниях пружины играют главную роль. Но мы показываем, что нет, пружины здесь не важны; важна только размытость атомов, — объясняет Федосеев. — Поэтому нужно использовать более глубокое описание, основанное на квантовых корреляциях между фотонами и атомами. Исследователи отмечают, что 2025 год объявлен ООН Международным годом квантовой науки и технологий, отмечая столетие формулировки квантовой механики. Дискуссия Бора и Эйнштейна об опыте с двумя щелями произошла всего двумя годами позже. Замечательное совпадение, что мы можем помочь прояснить этот исторический спор в тот же год, когда празднуем квантовую физику, — говорит соавтор Ю Кюн Ли. Прямой практической пользы, вроде нового гаджета, от этого исследования ждать не стоит. Его ценность — фундаментальная. Во-первых, это виртуозная демонстрация квантовых принципов в почти идеальных условиях, что служит мощным инструментом для проверки и уточнения теоретических моделей. Во-вторых, разработанные методики — контроль отдельных атомов, управление их «размытостью», работа с единичными фотонами — это передовые инструменты квантовых технологий. Они критически важны для развития квантовых вычислений, моделирования сложных материалов и создания сверхточных сенсоров. Это как научиться играть на скрипке виртуозные этюды: само по себе — искусство, но приобретенные навыки позволяют потом исполнять сложнейшие симфонии. Несмотря на элегантность, эксперимент, как и любой мысленный, является высоко идеализированным. Он проводится в исключительных условиях (сверхнизкие температуры, изолированные атомы в вакууме), максимально очищенных от влияния внешней среды ( «шума»). Это одновременно и сила, и слабость. Сила — в чистоте проверяемого принципа. Слабость — в огромной дистанции до любых практических систем, которые существуют в „грязном“, тепловом, макроскопическом мире. Можно сказать, что исследование подтверждает правила игры, но на специально подготовленном поле. Вопрос о том, как эти правила проявляются и могут ли быть обойдены в более сложных, неидеальных системах (например, в биологических молекулах), остается открытым. Ранее ученые создали новый источник одиночных фотонов. Свет решил головоломку Эйнштейна: десять тысяч атомов против одного парадокса Максим Наговицын 10.12.2025 1729 Самый знаменитый квантовый парадокс удалось воспроизвести в такой чистой форме, о которой его авторы могли только мечтать. Источник: нейросеть Физики из Массачусетского технологического института провели идеализированный вариант одного из самых знаменитых экспериментов в квантовой физике. Их результаты с атомарной точностью демонстрируют двойственную и ускользающую природу света. И, по сути, подтверждают, что Альберт Эйнштейн ошибался в этой конкретной квантовой ситуации. Речь идет об опыте с двумя щелями, который впервые провел британский ученый Томас Юнг в 1801 году, чтобы показать волновые свойства света. Сегодня, с развитием квантовой механики, этот эксперимент известен своим простым и поразительным доказательством странной реальности: свет существует и как частица, и как волна одновременно. Что еще удивительнее, эту двойственность нельзя увидеть сразу. Наблюдение света в виде частиц мгновенно скрывает его волновую природу, и наоборот. В оригинальном опыте луч света направляли на экран с двумя параллельными прорезями и смотрели на рисунок, который возникал на втором, дальнем экране. Казалось бы, должны появиться два световых пятна, как если бы свет был потоком частиц-фотонов, летящих по прямой. Но вместо этого свет создает чередующиеся светлые и темные полосы — интерференционную картину, похожую на ту, что возникает при встрече двух кругов на воде. Это говорит о волновом поведении. Еще страннее: если попытаться измерить, через какую именно щель прошел свет, он внезапно ведет себя как частица, и интерференционная картина исчезает. Сейчас этот опыт изучают в школах как наглядную иллюстрацию основы квантовой механики: все физические объекты, включая свет, одновременно являются и частицами, и волнами. Почти сто лет назад эксперимент оказался в центре дружеской дискуссии между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. В 1927 году Эйнштейн утверждал, что фотон-частица должен проходить только через одну из двух щелей и в процессе создавать крошечную силу, воздействующую на эту щель, подобно птице, задевающей лист на лету. Он предполагал, что можно зафиксировать эту силу и одновременно наблюдать интерференционную картину, тем самым поймав и частицу, и волну в одном флаконе. Бор, применяя квантовый принцип неопределенности, доказал, что любая попытка определить путь фотона разрушит интерференцию. С тех пор ученые провели множество версий опыта, в разной степени подтвердивших правоту квантовой теории Бора. Теперь же физики из MIT выполнили самый «идеализированный» вариант на сегодня. Они упростили эксперимент до квантовой сути. Что они сделали: Использовали отдельные атомы в роли щелей. Применяли очень слабые лучи света, чтобы каждый атом рассеивал не более одного фотона. Готовили атомы в разных квантовых состояниях, что позволяло управлять информацией о пути фотона. Результаты подтвердили предсказания теории: чем больше информации получали о пути (то есть о частице), тем слабее была видна интерференционная картина (волна). Они наглядно показали, в чем ошибся Эйнштейн: как только атом «встревожен» пролетающим фотоном, волновая интерференция уменьшается. Эйнштейн и Бор даже не могли подумать, что такой эксперимент с отдельными атомами и фотонами вообще возможен, — говорит Вольфганг Кеттерле, профессор физики и руководитель группы MIT. — Мы провели идеализированный мысленный эксперимент. Их результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Холод и порядок Группа Кеттерле работает с атомами и молекулами, которые охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю, и удерживают в заданных конфигурациях с помощью лазеров. В таких ультрахолодных облаках проявляются квантовые явления, происходящие на уровне отдельных атомов. Изначально команда изучала, как рассеяние света может раскрыть свойства материалов из сверхохлажденных атомов. Мы поняли, что можем измерить, насколько этот процесс рассеяния похож на частицу или волну, и быстро осознали, что этот метод позволит нам воспроизвести знаменитый эксперимент в идеальном виде, — говорит первый автор работы Виталий Федосеев. В новом исследовании команда использовала более 10 000 атомов, охлажденных до микрокельвинов. Лазерным лучом их расположили в кристаллическую решетку. На таком расстоянии друг от друга каждый атом можно считать изолированным и идентичным. А 10 000 атомов дают сигнал, который гораздо легче зафиксировать, чем от одного или двух. Ученые решили, что такая схема позволит направить слабый луч света на атомы и посмотреть, как одиночный фотон рассеивается на двух соседних атомах — как волна или как частица. Это аналогично прохождению света через две щели. То, что мы сделали, можно считать новой версией опыта с двумя щелями, — говорит Кеттерле. — Эти отдельные атомы — самые маленькие щели, которые только можно вообразить. Настройка неопределенности Работа с одиночными фотонами требовала многократных повторений и сверхчувствительного детектора. По интенсивности рассеянного света можно было напрямую определить, вел себя свет как частица или как волна. Исследователей особенно интересовала ситуация, когда половина фотонов вела себя как волны, а половина — как частицы. Они добились этого, настраивая «размытость» атома, то есть неопределенность его положения. Каждый из 10 000 атомов удерживается лазерным светом, силу которого можно менять. Чем слабее удерживается атом, тем он „размытее“ и легче „встревожится“, записав путь фотона. Увеличивая размытость, ученые повышали вероятность проявления частицы. Наблюдения полностью совпали с теорией. Без пружин В классических рассуждениях о подобном опыте часто фигурируют «пружины» — гипотетические устройства, которые могли бы зафиксировать толчок от пролетающей частицы. Команда MIT провела эксперимент и без них. Лазер, удерживающий облако атомов, изначально играл роль такой пружины. Ученые предположили: если убрать „пружину“ и увидеть тот же эффект, значит, она не влияет на дуализм. Так и вышло. Они выключали лазер-»пружину» и проводили измерение за миллионную долю секунды, пока атомы, став очень размытыми, не начинали падать под действием гравитации. За это крошечное время атомы фактически парили в свободном пространстве. И в этом сценарии без пружины наблюдалось то же самое: волновая и корпускулярная природа фотона не могли быть видны одновременно. Во многих описаниях пружины играют главную роль. Но мы показываем, что нет, пружины здесь не важны; важна только размытость атомов, — объясняет Федосеев. — Поэтому нужно использовать более глубокое описание, основанное на квантовых корреляциях между фотонами и атомами. Исследователи отмечают, что 2025 год объявлен ООН Международным годом квантовой науки и технологий, отмечая столетие формулировки квантовой механики. Дискуссия Бора и Эйнштейна об опыте с двумя щелями произошла всего двумя годами позже. Замечательное совпадение, что мы можем помочь прояснить этот исторический спор в тот же год, когда празднуем квантовую физику, — говорит соавтор Ю Кюн Ли. Прямой практической пользы, вроде нового гаджета, от этого исследования ждать не стоит. Его ценность — фундаментальная. Во-первых, это виртуозная демонстрация квантовых принципов в почти идеальных условиях, что служит мощным инструментом для проверки и уточнения теоретических моделей. Во-вторых, разработанные методики — контроль отдельных атомов, управление их «размытостью», работа с единичными фотонами — это передовые инструменты квантовых технологий. Они критически важны для развития квантовых вычислений, моделирования сложных материалов и создания сверхточных сенсоров. Это как научиться играть на скрипке виртуозные этюды: само по себе — искусство, но приобретенные навыки позволяют потом исполнять сложнейшие симфонии. Несмотря на элегантность, эксперимент, как и любой мысленный, является высоко идеализированным. Он проводится в исключительных условиях (сверхнизкие температуры, изолированные атомы в вакууме), максимально очищенных от влияния внешней среды ( «шума»). Это одновременно и сила, и слабость. Сила — в чистоте проверяемого принципа. Слабость — в огромной дистанции до любых практических систем, которые существуют в „грязном“, тепловом, макроскопическом мире. Можно сказать, что исследование подтверждает правила игры, но на специально подготовленном поле. Вопрос о том, как эти правила проявляются и могут ли быть обойдены в более сложных, неидеальных системах (например, в биологических молекулах), остается открытым. Ранее ученые создали новый источник одиночных фотонов. Source: https://innovanews.ru/info/news/hightech/svet-reshil-golovolomku-ejjnshtejjna-desjat-tysjach-atomov-protiv-odnogo-paradoksa/