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.
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.
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!