Один и тот же фотон поймали в двух местах одновременно
Усовершенствованная версия знаменитого эксперимента с двумя щелями позволила напрямую измерить единичный фотон в двух местах одновременно — и эти результаты могут опровергать идею мультивселенной. Такая интерпретация, впрочем, остается весьма спорной — другие ученые уверены, что эксперимент не способен раскрыть о природе реальности что-то новое.
Двухщелевой опыт, впервые проведенный в 1801 году Томасом Юнгом, стал классикой квантовой механики. Всем известно, в чем он состоит, но все же не лишним будет напомнить. Свет пропускают через две узкие щели, и на экране за ними возникает интерференционная картина, свидетельствующая о его волновой природе. Причем это происходит даже тогда, когда фотоны проходят поодиночке — не имея возможности взаимодействовать друг с другом.
Многие физики интерпретируют этот факт как доказательство того, что даже одиночный фотон обладает волновыми свойствами, которые можно описать его волновой функцией — математической конструкцией, описывающей все возможные положения фотона, «размазанные» в пространстве. В каком-то смысле эта волновая природа позволяет фотону проходить через обе щели одновременно.
Однако установка детекторов у каждой щели, чтобы определить, через какую именно проходит фотон, загадочным образом разрушает интерференционную картину. Традиционная точка зрения объясняет это коллапсом волновой функции в результате измерения, что локализует фотон в пространстве и лишает его возможности пройти через обе щели. Но истинная природа волновой функции — существует ли она на самом деле или является лишь математическим описанием реальности — остается предметом жарких споров.
Например, некоторые физики придерживаются «многомировой» интерпретации, согласно которой существует суперпозиция возможных вселенных, наложенных друг на друга, каждая из которых содержит фотоны, движущиеся по разным траекториям, и эти траектории могут интерферировать между собой. Детектор, установленный у одной из щелей, заставляет реальность «разветвляться», выбирая одну из вселенных в возможной мультивселенной.
Профессор Хольгер Хофманн из Университета Хиросимы и его коллеги утверждают, что им удалось получить прямое доказательство прохождения фотона через обе щели. Результатами усовершенствованной версии двухщелевого опыта они поделились на сервере препринтов arXiv.
Это означает, что волновая функция — не просто математический инструмент, а отражение реального процесса, уверен Хофманн: «Раньше предполагалось, что это лишь предположение — мы не знаем, что происходит с частицей. Но этот [эксперимент] делает все совершенно новым и даже провокационным, потому что мы утверждаем, что есть доказательства физической делокализации — и это не спекуляция, а экспериментальные данные».
Ученые использовали интерферометр, который разделяет волновую функцию фотона на два пути с помощью специального зеркала, после чего оба пути снова встречаются на выходе, где два детектора измеряют интерференционную картину. Как и в эксперименте с двумя щелями, интерференция указывает на то, что фотон прошел по обоим путям, но определить точную траекторию без нарушения волновой функции по-прежнему невозможно.
Чтобы обойти это ограничение, команда применила метод слабых измерений, который позволяет делать определять свойства частицы, не вызывая ее коллапса, путем многократных замеров для составления статистической картины поведения частицы. Здесь исследователи добавили стеклянные пластины, слегка изменяющие поляризацию фотона, к каждому плечу интерферометра. Эти пластины работают в противоположных направлениях для каждого пути, а значит, если фотон действительно прошел по обоим путям, эти изменения поляризации должны компенсироваться при измерении на выходе.
Действительно, измеряя поляризацию фотона на двух выходах и сравнивая частоту ее изменения в каждом из них после множества повторений эксперимента, Хофманн и его команда обнаружили, что результаты соответствуют сценарию, в котором одиночный фотон делокализовался и прошел по обоим путям.
«Мы утверждаем, что скорость изменения поляризации фотона — это прямое измерение концепции делокализации, — говорит профессор. — Если фотон делокализуется, скорость изменения снижается; это прямое физическое следствие делокализации».
По словам Хофманна, сам факт возможности такого измерения ставит под сомнение многомировую интерпретацию квантовой механики, поскольку устраняет необходимость в суперпозиции различных вселенных. «Суперпозицию не следует путать с одновременным существованием параллельных реальностей. В нашем случае у нас есть прямое доказательство, что это не так, потому что мы наблюдаем эффект, соответствующий распределению одиночного фотона».
a) На начальном светоделителе путь каждого фотона выбирается случайным образом.
b) Делокализованный фотон после интерференции. Можно предположить, что фотон физически делокализован, причем большая часть фотона прошла одним путем, а меньшая — другим. Фотон физически разделяется на две величины, которые расходятся по двум разным путям.
Это может затруднить для некоторых физиков аргументацию, что волновая функция — всего лишь математическая ширма для описания происходящего, считает Джонте Ханс из Ньюкаслского университета: «Теперь сложнее утверждать, что квантовая механика — это просто эпистемическая вероятность и распределение реальных, привычных нам вещей, ведущих себя ожидаемым образом».
Однако профессор Лев Вайдман из Тель-Авивского университета заявил, что эти результаты все еще могут укладываться в многомировую интерпретацию, поскольку делокализация фотона видна лишь в одной возможной ветви реальности — а может существовать и другая, в которой фотон прошел только один путь, но мы ее не наблюдаем. «В параллельном мире фотон был обнаружен в другом выходном порте интерферометра, и в этом другом мире он находился в другом плече и имел другое состояние», — пояснил Вайдман.
Более того, сама концепция слабых измерений остается предметом жарких споров среди физиков: некоторые утверждают, что повторные статистические измерения не позволяют делать выводы о свойствах одиночных частиц. «Я считаю, что с помощью этого метода нельзя делать заявления об одиночном фотоне», — убежден Эндрю Джордан из Университета Чепмена в Калифорнии.
«Я ожидал разногласий, потому что мы задели многих, фактически выбрав сторону в интерпретационных вопросах и заявив, что эксперименты могут их разрешить, — признался Хофманн. — Проблема всегда заключалась в том, что между разными интерпретационными лагерями царил мир, потому что все соглашались, что истину установить невозможно. А мы утверждаем, что экспериментальная проверка возможна».
