Για πρώτη φορά, επιστήμονες στην Κίνα κατάφεραν να αναπαραστήσουν πιστά ένα νοητικό πείραμα που είχε προτείνει ο Άλμπερτ Αϊνστάιν σχεδόν έναν αιώνα πριν. Η έρευνά τους αποδεικνύει ότι ο κβαντικός κόσμος συμπεριφέρεται με τρόπους που ο εμβληματικός φυσικός δεν αποδέχτηκε ποτέ πλήρως.
Ο Pan Jianwei, γνωστός ως “πατέρας του κβαντικού” στην Κίνα, μαζί με την ομάδα του στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, κατασκεύασε μια συσκευή με την ευαισθησία να ανιχνεύσει την ελάχιστη ώθηση ενός μοναδικού φωτονίου.
Το 1927, στο ιστορικό Συνέδριο Solvay στις Βρυξέλλες, ο Αϊνστάιν παρουσίασε μια τροποποιημένη εκδοχή του διάσημου πειράματος της διπλής σχισμής. Στόχος του ήταν να απορρίψει την άποψη του Νιλς Μπορ, ότι η τροχιά ενός σωματιδίου και το κυματικό μοτίβο συμβολής του δεν μπορούσαν να παρατηρηθούν ταυτόχρονα. Ο Μπορ πίστευε ότι αυτή δεν ήταν τεχνική δυσκολία, αλλά θεμελιώδης κανόνας της φύσης, κάτι με το οποίο διαφωνούσε ο Αϊνστάιν.
Σε μια δημοσίευση την Τετάρτη στο Physical Review Letters, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν τη σκέψη του Μπορ: οι δύο αυτές ιδιότητες δεν μπορούν να παρατηρηθούν ταυτόχρονα, μια αρχή που ορίζει τα όρια της ανθρώπινης γνώσης. Οι κριτές του περιοδικού, που εκδίδεται από την American Physical Society, επαίνεσαν το έργο ως “μια σημαντική συμβολή στα θεμέλια της κβαντομηχανικής”, χαρακτηρίζοντάς το “υπέροχο” και “μια σχολική υλοποίηση ενός νοητικού πειράματος ενός αιώνα”.
Σε δελτίο τύπου του πανεπιστημίου, ο Pan και η ομάδα του περιέγραψαν τη διαμάχη μεταξύ Αϊνστάιν και Μπορ ως “μια καθοριστική στιγμή στην πρώιμη ιστορία της κβαντομηχανικής”.
Στην κβαντική φυσική, σωματίδια όπως τα φωτόνια μπορούν να συμπεριφέρονται τόσο ως σωματίδια όσο και ως κύματα. Το πείραμα της διπλής σχισμής αναδεικνύει αυτό το παράδοξο: όταν ένα μοναδικό φωτόνιο περνά μέσα από δύο σχισμές, δημιουργεί ένα μοτίβο συμβολής σε μια οθόνη, σαν να ήταν κύμα που περνά από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα. Ωστόσο, εάν ένας παρατηρητής προσπαθήσει να ανιχνεύσει από ποια σχισμή πέρασε, το μοτίβο εξαφανίζεται και το φωτόνιο συμπεριφέρεται ξανά σαν σωματίδιο.
Στο συνέδριο του 1927, ο Αϊνστάιν πρότεινε έναν έξυπνο τρόπο για να αποδείξει ότι ο Μπορ έκανε λάθος. Φαντάστηκε την τοποθέτηση ενός κινητού τοιχώματος με δύο σχισμές μπροστά από την οθόνη. Εάν ένα φωτόνιο περνούσε από μία σχισμή, θα έδινε ένα μικρό “κλωτσήματα”, μια ανάκρουση, στο τοίχωμα. Θεωρητικά, η μέτρηση αυτής της ώθησης θα αποκάλυπτε από ποια σχισμή χρησιμοποίησε το φωτόνιο, χωρίς να επηρεάζει το κυματικό μοτίβο.
Ενώ ο Αϊνστάιν πίστευε ότι μια τέτοια μέτρηση θα μπορούσε να γίνει χωρίς να καταστραφεί η συμβολή, παρέμεινε ανεπίλυτη για δεκαετίες. Ένα μόνο φωτόνιο προκαλεί μια απίστευτα μικρή ώθηση – πολύ μικρή για να την καταγράψουν οι συνηθισμένοι ανιχνευτές χωρίς να διαταράξουν το πείραμα.
Στο πείραμά τους, η ομάδα του Pan χρησιμοποίησε ένα μοναδικό άτομο ρουβιδίου, ψυχθέν σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν και διατηρούμενο στη θέση του με φως λέιζερ, ως το κινητό αντικείμενο στην πρόταση του Αϊνστάιν.
Η ιδέα ήταν ότι τα φωτόνια που θα περνούσαν θα έδιναν στο άτομο μια απαλή ώθηση, η οποία θα διέφερε ανάλογα με την κατεύθυνσή τους και θα αποκάλυπτε την πορεία του κάθε φωτονίου. Οι ερευνητές ρύθμισαν πόσο σφιχτά κρατούσε το άτομο ρουβιδίου η παγίδα λέιζερ.
Όταν η παγίδα ήταν χαλαρή, το άτομο κινήθηκε ελαφρώς, αποκαλύπτοντας την πορεία του φωτονίου – αλλά το μοτίβο συμβολής εξαφανίστηκε. Όταν κρατούταν σφιχτά, το άτομο κινήθηκε ελάχιστα, η πορεία παρέμεινε άγνωστη και το μοτίβο συμβολής επανήλθε.
Όπως ακριβώς προέβλεπε ο Μπορ, η παρατήρηση της μιας ιδιότητας είχε σβήσει την άλλη. Ενώ αυτό δεν ήταν το πρώτο πείραμα που επιβεβαίωνε την αρχή του Μπορ, η ομάδα του Pan δημιούργησε ένα εξαιρετικά ακριβές σύστημα.
Ένα συνοδευτικό άρθρο που δημοσιεύθηκε στο δωρεάν διαδικτυακό περιοδικό της American Physical Society σημείωσε ότι η διάταξη των ερευνητών είχε τη δυνατότητα να εξερευνήσει άλλες λιγότερο εδραιωμένες πτυχές της κβαντομηχανικής. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να μελετήσουν πώς αλληλεπιδρούν τα φαινόμενα της κβαντικής διεμπλοκής και της αποσυνοχής, ανοίγοντας τον δρόμο για καλύτερο έλεγχο των κβαντικών συστημάτων και πιο αξιόπιστες τεχνολογίες.
