Новое подтверждение принципа дополнительности

Все знают, что в науке (точнее, в самых разных науках) подчас рождаются проблемы, которые не удается решить в течение десятилетий, а то и столетий. Великая теорема Ферма и гипотеза Римана о нулях дзета-функции — примеры хрестоматийные, но далеко не единственные. И физика вместе с астрофизикой в этом отношении, конечно, не исключение. Можно напомнить о загадках темной материи и темной энергии или о поисках новых фундаментальных симметрий, которые позволили бы выйти за рамки Стандартной модели элементарных частиц и даже, чего доброго, создать квантовую теорию гравитации.

Это только присказка, а сказка у нас впереди. Она состоит в том, что сотрудники Научно-технического университета Китая, расположенного в столице провинции Аньхой Хэфэе, и их коллеги из шанхайского Центра квантовых исследований выполнили очень изящный и в высшей степени прецизионный эксперимент по проверке двух краеугольных камней квантовой механики — соотношения неопределенностей и принципа дополнительности¹.

Поскольку его результаты появились в печати в декабре 2025 года, они стали весьма нетривиальной информационной добавкой к финалу юбилейного года квантовой механики. Но сей лабораторный прорыв особенно интересен еще и потому, что оказался первой физической реализацией мысленного эксперимента, который Альберт Эйнштейн предложил в качестве возможного опровержения соотношения неопределенностей. Это случилось в ходе его спора с Нильсом Бором на состоявшемся в Брюсселе в 1927 году Пятом Сольвеевском конгрессе, который был посвящен электронам и фотонам. Дискуссии, которые там проводились, внесли важный вклад в формирование концептуальных оснований квантовой механики.

Воображаемый эксперимент Эйнштейна представляет из себя модификацию оптического опыта, с помощью которого Томас Юнг в 1801 году убедительно продемонстрировал волновую природу света. В опыте Юнга свет попадал от источника на экран, предварительно пройдя через две параллельные щели, вырезанные в непрозрачной пластине. Эти щели стали источниками вторичных световых волн, которые интерферировали на демонстрационном экране, создавая на нем темные и светлые полосы. Ничего подобного не удалось бы наблюдать, если бы свет был потоком твердых корпускул, как предполагал Исаак Ньютон. Подробнее об опыте Юнга вряд ли надо говорить, он входит в стандартную школьную программу по физике.

В контексте квантовой механики результаты двухщелевого эксперимента Юнга получили куда более глубокий смысл, чем в классической физике. Во-первых, из лежащего в ее основе принципа корпускулярно-волнового дуализма следует, что интерференция должна возникать при прохождении через щели не только фотонов, но и любых материальных частиц, например электронов. Первый раз эффект электронной интерференции был продемонстрирован в том же 1927 году в двух экспериментах в США и Англии. Правда, тогда он наблюдался не в схеме Юнга, а при рассеянии электронов на кристаллических решетках. Однако во второй половине прошлого века были успешно осуществлены эксперименты и «по Юнгу», т. е. при прохождении электронов через реальные параллельные щели в реальных непрозрачных экранах. Впервые такой опыт был поставлен в Тюбингенском университете в 1961 году и с тех пор не раз повторялся в разных лабораториях и в различных вариантах.

Однако квантовый двухщелевой эксперимент имеет и другой смысл, причем весьма парадоксальный. Как заметил Ричард Фейнман в одной из лекций своего прославленного двухгодичного курса физики, прочитанного в первой половине 1960-х годов в Калифорнийском технологическом институте, возникновение интерференционной картины возможно лишь в том случае, если экспериментатор в принципе не имеет возможности точно установить, через какую из двух щелей проходят фотоны или любые другие квантовые частицы. Если же в эксперимент вводятся приборы, позволяющие получить такую информацию (например, детекторы, установленные около каждой щели), интерференционная картина должна исчезнуть. За последние полвека это предсказание тоже не раз подтверждалось в разных лабораториях.

А сейчас вернемся к Эйнштейну и его мысленному эксперименту. В качестве основного экрана он, как и Юнг, взял пластину с двумя горизонтальными щелями. Однако между нею и источником света он расположил вторую пластину только с одной щелью, расположенной симметрично по отношению к щелям главного экрана. При этом, в отличие от первой неподвижной пластины, вторую он подвесил на двух сверхчувствительных пружинах, удерживающих ее сверху и снизу. По его идее, мониторинг натяжения каждой пружины позволил бы отделять фотоны, идущие к верхней щели главного экрана, от фотонов, проходящих через нижнюю щель. Эйнштейн полагал, что интерференционная картина от этого не разрушится, поскольку ничто не помешает проходящим через двухщелевой экран фотонам долетать до демонстрационного экрана и там благополучно интерферировать. В то же время воображаемый пружинный детектор в принципе позволил бы отслеживать пути не только фотонных потоков, но даже одиночных фотонов. Такая сортировка световых квантов, по мысли Эйнштейна, опровергала бы гейзенберговский принцип неопределенностей. Она также была несовместимой с принципом дополнительности квантовых измерений, который Нильс Бор сформулировал в том же 1927 году. Напомню, что этот принцип запрещает одновременное точное описание квантового объекта и на языке корпускул, и на языке волн.

Бор легко разделался с возражениями создателя теории относительности. Он указал, что включение пружинного детектора приведет к размыванию границ интерференционных полос на демонстрационном экране, причем тем сильнее, чем точнее этот детектор будет работать. В теоретическом плане аргументы Бора были очень убедительны. В то же время их ни разу не удалось надежно подтвердить в эксперименте, хотя такие попытки неоднократно предпринимались в течение последних десятилетий. Именно это теперь сделали китайские физики.

Конечно, они не изобретали никаких сверхчувствительных механических приборов. Вместо них работал один-единственный атом рубидия-87, запертый в трехмерной оптической ловушке и доведенный почти до температуры абсолютного нуля. Для создания ловушки применялся инфракрасный лазер с длиной волны 852 нм. В таких условиях квантовая неопределенность импульса запертого атома оказалась сравнимой с величиной импульса фотонов, которыми его обстреливали. Именно это и позволило использовать его в качестве квантового аналога подвижного однощелевого экрана в эйнштейновском мысленном эксперименте.

Технические детали китайского эксперимента довольно сложны, но его общую схему нетрудно пояснить буквально «на пальцах» — конечно, с неизбежными упрощениями. Глубину ловушки можно было варьировать, предоставляя атому бо́льшую или меньшую свободу движений. В первом случае его положение могло заметно меняться при взаимодействии с каждым фотоном, во втором он оставался почти неподвижным. Согласно принципам квантовой механики, следовало ожидать, что сильно заблокированный атом практически не будет реагировать на столкновения с фотонами, которые благодаря этому сохранят способность к последующей интерференции. Атом со слабой блокировкой, напротив, будет «замечать» обстрел фотонами и потому сможет поставлять информацию об их движении. В таком случае фотонная интерференция окажется сильно размытой.

Именно это и показал эксперимент китайских ученых. Если в нем не найдут никаких подозрительных лакун, то еще одну вековую проблему физики можно будет считать решенной.

Алексей Левин

¹ Zhang Y.-C. et al. Tunable Einstein-Bohr recoiling-slit Gedankenexperiment at the quantum limit // Physical Review Letters, 135, 230202. Published 2 December, 2025. DOI: doi.org/10.1103/93zb-lws3