Кожен із нас бачив інтерференцію світла — чи це райдужні переливи на мильному міхурі, чи тонкі кольорові візерунки на компакт-диску. Це гарне явище, коли світлові хвилі, складаючись, посилюють або, навпаки, гасять один одного, створюючи чергування світлих і темних смуг. Класична фізика, що описує світло як хвилю, дає цьому елегантне пояснення: у темних областях хвилі просто компенсують один одного, їхня сумарна амплітуда дорівнює нулю. Логічно припустити, що там, де немає світла, немає і взаємодії з речовиною. Звучить просто і зрозуміло, правда?

Але заждіть, а що з цього приводу говорить квантова механіка? Та сама, що описує світло як потік частинок — фотонів? Тут і починається найцікавіше. Квантовий світ сповнений сюрпризів, і один із них полягає в тому, що навіть там, де класична хвиля «обнулюється», фотони, виявляється, нікуди не зникають і потенційно можуть взаємодіяти з матерією! Як таке можливе? Цей парадокс десятиліттями розбурхував уми фізиків.

І ось, недавнє дослідження міжнародної групи вчених (з Бразилії, Швейцарії та Німеччини) пропонує зовсім новий погляд на цю стару загадку, здатну примирити хвильовий та корпускулярний опис світла в контексті інтерференції. Їхня робота, опублікована в престижному журналі Physical Review Letters, стверджує: те, що ми бачимо як класичні світлі та темні смуги, насправді є виявом особливих квантових станів світла – «світлих» та «темних».

Що за «світлі» та «темні» стани такі?

Уявіть собі не просто окремі фотони, а їхній колектив, який перебуває в складному, заплутаному стані.

  • «Світлі» стани фотонів — це такі конфігурації, які можуть взаємодіяти з детектором (наприклад, атомом або фотопластиною). Саме вони відповідають за яскраві смуги в інтерференційній картині. Грубо кажучи, це «видимі» фотони.
  • «Темні» стани, навпаки, влаштовані так хитро, що не можуть передати свою енергію стандартному детектору, навіть якщо фотони в цьому стані присутні! Вони хіба що «приховані» від спостереження у цьому конкретному взаємодії. Саме вони формують темні смуги.
Це теж варте вашої уваги -  Вперше у світі змодельовано вибух наднової у земній лабораторії

І тут криється головна несподіванка: у темних смугах фотони є! Вони не зникли, не анігілювали. Вони просто знаходяться в такому колективному квантовому стані, який «невидимий» для нашого способу вимірювання в цій точці. Це трохи схоже на ключ, який не підходить до конкретного замку – ключ (фотон) є, але двері (взаємодія) він не відчиняє.

Новий погляд на старий експеримент

Щоб зрозуміти всю красу цієї ідеї, давайте пригадаємо знаменитий двощілинний експеримент.

Відповідно до нової теорії:

  • Світлі смуги (максимуми) відповідають областям, де домінують «світлі» стани фотонів, які легко реєструються детектором.
  • Темні смуги (мінімуми) — це сфера переважання «темних» станів. Фотони там є, але їх детектор «не бачить».

Ця модель елегантно пояснює інший квантовий парадокс, пов’язаний з «інформацією про шлях». Якщо спробувати визначити через яку саме щілину пролетів фотон (поставити «спостерігача»), інтерференційна картина зникає. Чому? Класичного пояснення тут замало. Нова теорія каже: сам акт спостереження шляхом фотона змінює його стан! Детектор шляху, навіть дуже «ніжний», що не передає імпульс, змушує «темні» стани в області мінімумів перетворюватися на «світлі», роблячи фотони видимими там, де їх раніше не було видно. В результаті візерунок розмивається. Спостереження не так змінює траєкторію частки, скільки робить видимим те, що було приховано.

Максвелл — це ще не все?

Що все це означає у більш широкому значенні? Класична електродинаміка Максвелла чудово описує поведінку світла як хвилі у багатьох ситуаціях. Однак вона пасує перед чисто квантовими явищами. Нова теорія не скасовує Максвелла, а скоріше показує, що його рівняння — це своєрідний «граничний випадок», який працює, коли ми не враховуємо квантову природу самого детектора та тонкі аспекти заплутаних станів фотонів.

Це теж варте вашої уваги -  Чи може існувати машина часу

По суті, дослідники запропонували більш загальну картину, що описує інтерференцію не через безперервні хвилі, а через дискретні частки (фотони) та їх колективні квантові стани. Максимуми та мінімуми інтенсивності – це результат «танцю» заплутаних світлих та темних станів.

Куди ж далі?

Ця робота відкриває нове поле для досліджень. Так що наступного разу, дивлячись на райдужні переливи бензину в калюжі, згадайте: навіть у найтемніших ділянках цього візерунка, згідно з новою теорією, можуть ховатися невидимі фотони, що беруть участь у складному квантовому танці світла та тіні. Світ, як завжди, виявляється набагато цікавішим, ніж здається на перший погляд!

Comments

Comments are closed.