Myšlenkový experiment, který stál v jádru argumentu mezi slavnými fyziky Albertem Einsteinem a Nielsem Bohrem v roce 1927, byl konečně uskutečněn. Jeho výsledky osvětlily jedno z hlavních tajemství kvantové fyziky: je světlo skutečně vlnou, částicí, nebo složitou směsí obojího?

Argument Einstein a Bohra se týká experimentu s dvojitou štěrbinou, který sahá o sto let zpět k fyzikovi Thomasu Youngovi z roku 1801. Young tento test využil k prokázání, že světlo je vlna, zatímco Einstein tvrdil, že světlo je ve skutečnosti částice. Bohrův přístup v kvantové fyzice odvážně navrhl, že světlo může v určitých ohledech být obojím. Einstein tuto kontroverzní myšlenku neschvaloval a představil modifikovanou verzi Youngova experimentu, aby ji vyvrátil.

Nyní Chao-Yang Lu z Univerzity vědy a technologie Číny a jeho kolegové provedli experiment, který realizuje Einsteinovu myšlenku, a využívají nejlepší nástroje moderní experimentální fyziky k odhalení toho, že kvantové objekty jsou v jejich dvojí povaze vln a částic tak podivné, jak to fyzikové z 20. let minulého století podezřívali. „Vidět kvantovou mechaniku ‚v akci‘ na této základní úrovni je prostě ohromující,“ říká Lu.

V klasickém experimentu s dvojitou štěrbinou vědci osvětlují pár úzkých, paralelních a horizontálně orientovaných štěrbin umístěných před obrazovkou. Pokud by světlo bylo částicí, obrazovka by měla ukázat skvrnu světla za každou štěrbinou. Místo toho Young a nespočet dalších výzkumníků viděli „interferenční vzor“ střídající se tmavé a světlé pruhy. To naznačuje, že světlo je spíše jako vlna, která prochází štěrbinami a obrazovka zachycuje její vlny, které do sebe narážejí. Pozoruhodné je, že interferenční vzor přetrvává i když je intenzita světla snížena na jedinou částici světla, nebo foton. To znamená, že dokonale částicový foton se somehow zasahuje sám se sebou, jako kdyby byl také vlnou?

Bohr argumentoval pro pojem „komplementarity“, podle kterého není možné vidět částicovost fotonu, když se projevuje vlnovým chováním, a naopak. V jejich debatách o tom, zda to skutečně platí, Einstein navrhl umístit další štěrbinu před obvyklý pár, která by byla vybavena pružinami, takže by se odklonila, když by do ní vstoupil foton. Na základě pohybu pružin by fyzici mohli určit, zda foton prošel horní nebo dolní štěrbinou. Podle Einsteina by to znamenalo, že by bylo možné současně popsat částicové chování fotonu – cestováním skrze konkrétní štěrbinu jako malá kulička – a vlnové chování prokázané interferenčním vzorem, což by popřelo komplementaritu.

Lu říká, že jeho tým chtěl tuto zařízení postavit na „ultimátním kvantovém limitu“, takže vystřelili jediný foton nikoli na štěrbinu, ale na atom, který mohl reagovat stejným způsobem. Kromě toho, když atom zasáhli, dostal foton kvantový stav ekvivalentní směsi pohybující se od atomu doleva a doprava, což také vyprodukovalo interferenční vzor, když zasáhl detektor. K tomu, aby atom mohli použít tímto způsobem, vědci použili lasery a elektromagnetické síly, aby ho neuvěřitelně ochladili, což umožnilo velmi přesně ovládat jeho kvantové vlastnosti. To bylo klíčové pro testování Bohrův námitek vůči Einsteinovi: tvrdil, že Heisenbergův princip neurčitosti, který říká, že pokud by byla dobře známa změna hybnosti štěrbiny způsobená odrazem, stane se její pozice velmi rozmazanou a naopak, by mohl zničit interferenční vzor.

„Bohrův protiargument byl brilantní. Ale myšlenkový experiment zůstal teoretický téměř celé století,“ říká Lu.

Úpravou laserů mohli Lu a jeho kolegové kontrolovat neurčitost v hybnosti atomu jako štěrbiny. Zjistili, že Bohrovo tvrzení bylo správné a že mohli vymazat interferenční vzor tím, že upravili rozmazanost jeho hybnosti. Pozoruhodně, vědci také využili tuto ovladatelnost k přístupu k meziprodukty, kde mohli měřit některé informace o odrazu a také vidět rozmazanou verzi interferenčního vzoru. Zde foton efektivně prokazoval současně jak vlnové, tak částicové vlastnosti, říká Lu.

„Skutečný zájem je v [tomto] meziproduktu,“ říká Wolfgang Ketterle z Massachusettského technologického institutu. Na začátku tohoto roku on a jeho kolegové provedli variantu Einsteinova experimentu. Využili ultrachladné atomy řízené lasery, aby realizovali verzi Einsteinova experimentu, kde se pár štěrbin může pohybovat. Zatímco Lu a jeho kolegové použili jeden atom k rozptýlení světla ve dvou směrech, zde dva atomy rozptýlily světlo ve stejném směru, a účinek, jak se foton dotkl každého atomu, mohl být detekován z změn jejich kvantových stavů. Ketterle říká, že je to konceptuálně odlišný způsob, jak prozkoumat dualitu vln a částic a jasněji zachycovat to, co foton udělal, protože tato „informace o cestě“ je uchovávána v jednom z dvou oddělených atomů, ale je to drobný odklon od původní Einsteinovy myšlenky.

On a jeho kolegové také experimentovali s náhlým vypnutím svých laserů – což odpovídá odstranění pružin z pohyblivých štěrbin – a poté vystřelili fotony na atomy. Bohrův závěr stále platil, takže výměna hybnosti mezi atomy a fotonem, plus princip neurčitosti, mohly stále „smýt“ pruhy interferenčního vzoru. Tato verze Einsteinovy myšlenky bez pružin nebyla dosud testována, říká Ketterle. „V atomové fyzice, s chladnými atomy a lasery, máme reálné příležitosti ukázat kvantovou mechaniku s jasností, která nebyla dříve možná.“

Philipp Treutlein z Univerzity v Basileji ve Švýcarsku říká, že dva experimenty silně ukazují některé z fundamentálních principů kvantové mechaniky. „S naším moderním pochopením víme odpověď na to, jak kvantová mechanika funguje na mikroskopické úrovni. Ale vždy dělá rozdíl, pokud to vidíte naživo, v tom smyslu, že někdo ten experiment skutečně dělá.“ Experiment Lu a jeho týmu konceptuálně odpovídá nákresům, které zůstávají v historickém záznamu debat mezi Borem a Einsteinem, a chová se přesně tak, jak kvantová mechanika předpovídá, že by se měla chovat, říká.

Pro Lua je stále víc co prozkoumávat, například klasifikace kvantového stavu štěrbiny v ještě větším detailu, stejně jako zvyšování její hmotnosti. Ale tento experiment také nese obrovskou vzdělávací hodnotu. „Především doufám, že to vyjadřuje čistou krásu kvantové mechaniky,“ říká. „Pokud několik mladých lidí uvidí, jak se interferenční vzor objevuje nebo zaniká v reálném čase a říká: ‚Wow, příroda opravdu funguje takto,‘ tak experiment už uspěl.“