Rozdielne názory o duálnej povahe svetla viedli v roku 1927 k slávnej výmene názorov medzi Albertom Einsteinom a Nielsom Bohrom. Teraz vedci na základe experimentu s laserovo chladenými atómami zistili, ktorý z fyzikov mal pravdu a ktorý sa mýlil.
Albert Einstein a Niels Bohr. Zdroj: AI ChatGPT
Debata medzi Bohrom a Einsteinom, ktorá prebehla v dvadsiatych a tridsiatych rokoch minulého storočia, je dodnes veľmi aktuálna. Zapojili sa do nej dvaja najväčší fyzici 20. storočia a zohrala veľkú úlohu v Einsteinovom odchode do vedeckého exilu. Debata sa týkala kvantovej teórie, pravdepodobne najúspešnejšej fyzikálnej teórie všetkých čias.
Rozlúsknuť sa ju pokúsili fyzici z Massachusettskej technickej univerzity (MIT). Pred niekoľkými dňami uskutočnili experiment s neuveriteľnou atómovou presnosťou. Inšpirovali sa experimentom s dvojitou štrbinou, ktorý prvýkrát predviedol Thomas Young v roku 1801. Jeho podrobné závery boli publikované v prestížnom časopise Physical Review Letters, pričom viedli k definitívnemu vyriešeniu debaty o kvantovej povahe svetla najväčších kvantových fyzikov spred takmer sto rokov.
Kvantová dilema
Čo je vlastne svetlo z fyzikálneho hľadiska? Je to vlna, ktorá pripomína vlnky na vode, alebo je zložená z drobných častíc – guľôčok – prelietajúcich vesmírom? Experiment s dvojitou štrbinou bol kľúčový pri skúmaní tejto duality, pretože ilustruje, že svetlo sa môže správať ako vlna aj ako častica.
Keď svetlo prechádza dvoma štrbinami, vytvára interferenčný obrazec – striedajúce sa svetlé a tmavé pruhy –, ktorý je charakteristický pre vlnové správanie. Keď sa však zameriame na to, ktorou štrbinou svetlo prechádza, interferenčný obrazec zmizne a odhalí časticovú povahu svetla. Tento záhadný jav je podstatou základného princípu kvantovej mechaniky: vlnovo-časticovej duality svetla.
Youngov pokus známy ako dvojštrbinový experiment. Zľava vysielame prúd kvánt (fotóny, elektróny či iné subatomárne častice), ktoré prechádzajú tienidlom s dvoma úzkymi štrbinami. Tieto kvantá sa v danom experimente správajú ako vlny. Na zadnom tienidle potom vidíme interferenčný obrazec vzniknutý zložením vĺn, ktoré prešli oboma štrbinami. Záhada spočíva v nasledujúcom pridaní citlivého detektora k jednej zo štrbín, ktorý je schopný registrovať jednotlivé kvantá. Interferenčný obrazec vtedy zmizne a vysielané objekty sa začnú správať ako prúd častíc (napríklad zrnká piesku). K tomuto javu dochádza vždy, keď sa pokúsime zistiť dráhu jednotlivých kvánt. Zdroj ilustrácie: René Beláček
Konflikt medzi Einsteinom a Bohrom počas debaty na Solvayovej konferencii v roku 1927 zdôraznil ich rozdielne názory na túto dualitu. Einstein bol presvedčený, že je možné súčasne pozorovať dráhu aj interferenciu vĺn a tvrdil, že kvantová mechanika neposkytuje úplný obraz reality. Bohr zas tvrdil, že akýkoľvek pokus o meranie dráhy fotónu by narušil jeho vlnové charakteristiky, čím by sa anuloval akýkoľvek interferenčný obrazec. Spor dvojice fyzikov patrí k najikonickejším filozofickým a vedeckým konfrontáciám 20. storočia.
Debata Bohr – Einstein bola vedecká debata medzi Nielsom Bohrom a Albertom Einsteinom v dvadsiatych rokoch 20. storočia o základnej podstate kvantovej mechaniky. Einstein veril, že kvantová mechanika je neúplná a že musia existovať nejaké skryté premenné, ktoré riadia správanie častíc. Bohr na druhej strane veril, že kvantová mechanika je úplná teória, ktorá presne opisuje správanie častíc. Zdroj: Youtube/The Piggs Boson
Desiatky tisíc ultrachladných atómov
Rôzne predošlé verzie dvojštrbinového experimentu vo všeobecnosti podporovali Bohrovu interpretáciu kvantovej mechaniky. Nedávno fyzici z MIT pod vedením profesora Wolfganga Ketterleho navrhli to, čo označili za najviac „idealizovanú“ verziu tohto experimentu, čím posunuli hranice výskumu kvantového správania ešte ďalej.
Namiesto tradičných fyzických štrbín výskumníci ako „štrbiny“ použili individuálne ultrachladné atómy. Viac než desaťtisíc atómov bolo ochladených takmer na absolútnu nulu a pomocou laserov ich vedecký tím usporiadal do precízne kontrolovanej kryštalickej mriežky, kde každý atóm predstavoval izolovanú identickú „štrbinu“.
V tomto inovatívnom usporiadaní tím nasmeroval na atómy veľmi slabý svetelný lúč, pričom zabezpečil, že každý atóm rozptýli nanajvýš jeden fotón. Vedci predpokladali, že toto usporiadanie môže fungovať ako miniatúrny dvojštrbinový experiment. Mohli tak študovať, ako jednotlivé fotóny interagujú s dvoma susednými atómami, a zároveň odhaliť, či má svetlo vlnovú alebo časticovú povahu.
Vedúci výskumného tímu profesor Ketterle poznamenal: „To, čo sme dosiahli, možno považovať za nový variant dvojštrbinového experimentu. Tieto jednotlivé atómy pripomínajú najmenšie možné štrbiny, aké si viete predstaviť.“
Vedci precízne nastavovali „rozmazanosť“ atómových štrbín tým, že upravovali intenzitu laserového svetla, ktoré atómy udržiavalo na mieste. Pri tomto procese objavili priamu súvislosť medzi presnosťou merania dráhy fotónu a silou interferenčného vzoru.
Dva jednotlivé atómy plávajúce vo vákuovej komore sú osvetlené laserovým lúčom a fungujú ako dve štrbiny. Interferencia rozptýleného svetla je zaznamenávaná vysoko citlivou kamerou zobrazenou ako tienidlo. Nekoherentné svetlo sa javí ako pozadie a naznačuje, že fotón pôsobil ako častica prechádzajúca iba cez jednu štrbinu. Zdroj: s láskavým dovolením výskumníkov MIT
Einstein sa mýlil
Výsledky výskumného tímu potvrdili predpovede kvantovej teórie a jasne podporili Bohrovu interpretáciu. Ukázalo sa, že čím presnejšie výskumníci určili dráhu fotónu, teda overili jeho časticové správanie, tým viac sa strácal vlnový interferenčný vzor.
Zároveň pozorovali, že akékoľvek narušenie atómu spôsobené okolo prechádzajúcim fotónom viedlo k oslabeniu vlnovej interferencie. Tým sa znova potvrdila myšlienka, že získanie informácie o dráhe fotónu automaticky potláča jeho vlnové vlastnosti – čo je jeden zo základných princípov kvantovej neurčitosti.
Pozrite si
Táto prelomová štúdia nielenže ponúka jasnejšie pochopenie duálnej povahy svetla, ale slúži aj ako presvedčivé potvrdenie protiintuitívnej Bohrovej interpretácie kvantovej mechaniky – teórií, ktoré dodnes formujú vedecký výskum záhadných oblastí fyziky. Experiment tiež dosiahol významný míľnik v snahe pochopiť základné princípy, ktorými sa riadi náš vesmír.
Zdroje: Fedosejev a kol. (22.7.2025), MIT News
(RR)
