Einstein kontra Bohr. Chiński eksperyment kończy stuletni spór

Einstein kontra Bohr. Spór, który zdefiniował mechanikę kwantową

W 1927 roku Albert Einstein, chcąc obalić podstawy mechaniki kwantowej, zaprojektował myślowy eksperyment z dwoma szczelinami i sprężynami. Uważał, że dowiedzie on sprzeczności w zasadzie komplementarności Nielsa Bohra. Niemal sto lat później chińscy fizycy zrealizowali to doświadczenie w laboratorium. Wynik jest jednoznaczny: to Bohr miał rację.

Naukowcy z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Chinach pod kierownictwem Jian-Wei Pana przeprowadzili niezwykle precyzyjny eksperyment. Stanowi on rozstrzygnięcie jednego z najsłynniejszych sporów w historii fizyki. Ich praca, opublikowana w Physical Review Letters, potwierdza obowiązującą interpretację mechaniki kwantowej i pokazuje granice poznania, które frustrowały Einsteina – podaje serwis Phys.org.

„Bóg nie gra w kości”. Od tego zdania zaczęła się burza

Podczas konferencji w Brukseli w 1927 roku Albert Einstein, sfrustrowany probabilistyczną naturą nowej teorii, rzucił wyzwanie Nielsowi Bohrowi i całej szkole kopenhaskiej.

Bóg nie gra w kości z Wszechświatem

– miał powiedzieć, krytykując kwantową nieoznaczoność. Zasada ta głosi, że pewnych par właściwości cząstki, jak jej położenie i pęd (masa × prędkość), nie da się jednocześnie poznać z dowolną precyzją – im dokładniej mierzymy jedno, tym bardziej niepewne staje się drugie.

Pomysł genialny na papierze. Dlaczego Bohr powiedział „nie”

Aby wykazać wewnętrzną sprzeczność teorii, Einstein zaproponował wytworny eksperyment myślowy. Wyobrażał sobie cząstkę przechodzącą najpierw przez pojedynczą szczelinę zamocowaną na czułych sprężynach, a następnie przez klasyczny układ dwóch szczelin.

Pomysł polegał na tym, że mierząc odrzut pierwszej szczeliny (co ujawniłoby „cząstkowy” aspekt), a jednocześnie obserwując wzór interferencyjny na ekranie (co ujawniłoby aspekt „falowy”), można byłoby jednocześnie zmierzyć dwa dopełniające się atrybuty cząstki. Zdaniem Einsteina byłoby to sprzeczne z zasadą komplementarności Bohra, która stanowi, że takich par właściwości (jak położenie i pęd) nie da się precyzyjnie poznać w tym samym czasie.

Jak chińscy fizycy odtworzyli eksperyment po stu latach

Zespół z Chin przeprowadził ten eksperyment, zastępując elementy z myślowego układu zaawansowanymi technologiami kwantowymi. Zamiast szczeliny na sprężynach naukowcy użyli pojedynczego atomu rubidu. Został on unieruchomiony w pułapce optycznej (tzw. „szczypcach optycznych”). Atom ten, schłodzony niemal do zera absolutnego, działał jako niezwykle lekka i czuła „szczelina”. Jej pęd splątywał się z pędem nadlatującego fotonu.

Kluczowym osiągnięciem było dynamiczne kontrolowanie niepewności pomiaru pędu tego atomu poprzez zmianę głębokości pułapki. Zgodnie z przewidywaniami Bohra i zasadą nieoznaczoności Heisenberga, im precyzyjniej próbowano zmierzyć pęd atomu (a tym samym cząstki), tym bardziej rozmywał się obserwowany na ekranie wzór interferencyjny. Efekt ten udało się zaobserwować i zmierzyć z niespotykaną dotąd dokładnością.

Im dokładniejszy pomiar, tym mniej interferencji

Eksperyment nie tylko ostatecznie rozstrzyga historyczny spór na korzyść Bohra, ale także w nowoczesnym języku potwierdza głębokie zależności kwantowe. Autorzy wskazują, że widoczność interferencji zależy od stopnia splątania kwantowego w stopniu swobody pędu między fotonem a „szczeliną” (atomem).

Jak podsumowują autorzy, z dzisiejszej perspektywy „widoczność interferencji w eksperymencie Einsteina-Bohra jest określona przez stopień kwantowego splątania w stopniu swobody pędu między fotonem a szczeliną”.

Wynik nie pozostawia wątpliwości: to Bohr miał rację

Choć zasada komplementarności była potwierdzana wielokrotnie, fizyczne zrealizowanie słynnego eksperymentu myślowego ma szczególną wagę. Otwiera też nowe ścieżki badawcze. Zespół planuje teraz użyć tomografii stanów kwantowych do bezpośredniego zbadania stanu splątania oraz sprawdzenia, jak zwiększanie masy „szczeliny” wpływa na relacje między dekoherencją a splątaniem. Splątanie to nierozerwalne kwantowe powiązanie cząstek, a dekoherencja to proces jego zaniku.

Niemal sto lat po gorących debatach w Brukseli, najnowocześniejsze laboratorium dostarczyło ostatecznego dowodu. W tym kwantowym pojedynku, pomimo całego geniuszu Einsteina, to wizja Bohra i szkoły kopenhaskiej opisuje reguły gry. Gry, w którą – jak się okazuje – Wszechświat jednak gra.

Przeczytaj również: Słońce czeka zagłada. Teleskop Webba pokazał wyjątkowy obraz