عند الشراء من خلال روابط على مقالاتنا ، قد يكسب المستقبل وشركاء المشاركة في العمولة.
رسم تخطيطي مبسط لتجربة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، مع وجود ذرتين في مكانه بواسطة شعاع ليزر ويعملان كشقتين يمكن أن تنتشر الفوتونات الفردية ، مما يخلق نمط تداخل. . | الائتمان: V. Fedoseev et al.
لأكثر من 100 عام ، علمتنا فيزياء الكم أن الضوء هو موجة وجسيم. الآن ، قام الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بتجربة جريئة باستخدام ذرات واحدة تؤكد أنه على الرغم من أن الضوء يمكن أن يتصرف إما جسيم أو فوتون ، لا يمكن رؤيته على حد سواء في نفس الوقت.
يعود النقاش حول طبيعة النور إلى قرون ، وحتى القرن السابع عشر ووقت إسحاق نيوتن وكريستيان هويجنز. يعتقد البعض ، مثل نيوتن ، أن الضوء يجب أن يصنع من جزيئات لشرح سبب حدوث صور المرآة وعدم قدرتنا على رؤية الزوايا. ومع ذلك ، أشار Huygens وآخرون إلى أن الضوء يظهر سلوكًا يشبه الموجة ، مثل الحيود والانكسار.
في عام 1801 ، ابتكر الفيزيائي توماس يونغ التجربة الشهيرة الشهيرة ، حيث أشرق مصدر الضوء المتماسك من خلال شقتين ضيقتين وعلى الجدار. إذا كان الضوء جسيمًا ، فسنتوقع ظهور موقعين متداخلين من الضوء على الحائط حيث تمر فوتونات مختلفة عبر كل من الشقتين. بدلاً من ذلك ، ما وجده الشباب هو أن الضوء كان ينتشر على الحائط في أنماط التداخل المتناوبة للضوء والظلام. لا يمكن تفسير ذلك إلا إذا كانت موجات الضوء تنتشر من كل شق وتفاعل مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تداخل بناء ومدمر.
بعد قرن من الزمان ، أظهر ماكس بلانك أن الحرارة والضوء ينبعثان في حزم صغيرة تسمى Quanta ، وأظهر ألبرت أينشتاين أن كمية من الضوء عبارة عن جسيم يسمى الفوتون. ما هو أكثر من ذلك ، أظهرت فيزياء الكم أن الفوتونات تعرض أيضًا سلوكًا يشبه الموجة. لذلك كان كل من نيوتن وهويغنز صحيحا: الضوء هو موجة وجسيم على حد سواء. نحن نسمي هذه الازدواجية الجسيمات الظاهرة الغريبة.
ومع ذلك ، ينص مبدأ عدم اليقين على أنه لا يمكننا أبدًا ملاحظة الفوتون الذي يعمل على حد سواء موجة وجسيم في نفس الوقت. يطلق عليه والد الفيزياء الكمومية ، نيلز بوهر ، هذا “التكامل” ، بمعنى أن الخواص التكميلية لنظام الكم ، مثل التصرف مثل الموجة والجسيم ، لا يمكن قياسها في وقت واحد.
لم يكن أينشتاين أبدًا من محبي العشوائية التي تم إدخالها في قوانين الطبيعة. لذلك بحث عن طرق لدحض التكامل ، وبذلك عاد إلى تجربة Young الكلاسيكية المزدوجة. وقال إنه مع مرور الفوتون عبر أحد الشقوق ، يجب أن تشعر جانبي الشق بقوة صغيرة لأنها “صدقة” من الفوتون الممر. وبهذه الطريقة ، يمكننا في وقت واحد قياس الضوء الذي يعمل كجسيم فوتون أثناء تحركه من خلال شق ، وكموزعة عند التفاعل مع الفوتونات الأخرى.
عارض بور. يصف مبدأ عدم اليقين كيف ، على سبيل المثال ، لا يمكننا معرفة زخم الفوتون وموضعه الدقيق – كل من الخصائص التكميلية – في نفس الوقت. لذلك ، قال Bohr ، إن قياس “سرقة” الفوتون الممر سيؤدي فقط إلى تنظيف السلوك الذي يشبه الموجة ، وسيتم استبدال نمط التداخل الناتج عن التجربة المزدوجة بمنحين فقط.
أظهرت التجارب على مر السنين أن BOHR صحيحة ، ولكن كان هناك دائمًا شك في أن الأجهزة الضخمة التي يمكن أن تؤدي إلى إدخال تأثيرات يرى الضوء على أنه موجة وجسيم في وقت واحد.
تصوير أساسي للتجربة القياسية لضرب المضاعف التي ربما تكون قد قمت بها في دروس العلوم المدرسية. | الائتمان: المستقبل
لمعالجة هذا ، قام فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بقيادة الفيزيائيين وولفغانج كيترل وفيتالي فيدوسيف ، بتقليص التجربة المزدوجة إلى الجهاز الأساسي الممكن ، على النطاق الذري. باستخدام الليزر ، رتبوا 10000 ذرات فردية تم تبريدها إلى كسور فقط من درجة أعلى من الصفر المطلق. تصرفت كل ذرة مثل الشق ، بمعنى أن الفوتونات يمكن أن تنتشرها في اتجاهات مختلفة ، وعلى العديد من التجارب تنتج نمطًا من المناطق الخفيفة والظلام ، بناءً على احتمال أن يكون الفوتون مبعثرًا في اتجاهات معينة أكثر من غيرها. وبهذه الطريقة ، ينتج الانتثار نفس نمط الحيود مثل التجربة المزدوجة.
وقال كيتترل في بيان “ما فعلناه يمكن اعتباره متغيرًا جديدًا للتجربة المزدوجة”. “هذه الذرات الفردية تشبه أصغر الشقوق التي يمكن أن تبنيها.”
أظهرت التجربة أن بور كان صحيحًا بالتأكيد عندما جادل بتكامل ، وأن أينشتاين قد أخطأ. كلما تم قياس المزيد من الذرة التي تم قياسها ، أصبح نمط الحيود الأضعف ، حيث أن تلك الفوتونات التي تم قياسها كجزيئات لم تعد تتداخل مع الفوتونات التي لم يتم قياسها لتكون جزيئات.
أظهرت التجارب أيضًا أن الجهاز – في هذه الحالة ، حزم الليزر التي تحمل الذرات في مكانها – لم تؤثر على النتائج. تمكن فريق Ketterle و Fedoseev من إيقاف تشغيل الليزر وإجراء قياس في غضون مليون ثانية من القيام بذلك ، قبل أن تتاح للذرات فرصة للتهزئة أو التحرك تحت الجاذبية. كانت النتيجة هي نفسها دائمًا – لا يمكن تمييز جسيم الضوء وطبيعة الموجة في وقت واحد.
قصص ذات صلة
-التجربة المزدوجة: هل هناك موجة خفيفة أم جسيم؟
– ألبرت أينشتاين: حياته ونظرياته وتأثيره على العلم
-10 أشياء محيرة للعقل يجب أن تعرفها عن الفيزياء الكمومية
وقال Fedoseev: “ما يهم هو مجرد غموض الذرات”. يشير هذا الغموض إلى الغموض الكمي الذي يحيط بوضع الذرة الدقيق ، وفقًا لمبدأ عدم اليقين. يمكن ضبط هذا الغموض من خلال مدى حزم الليزر على الذرات في الموضع ، وكلما كانت الذرات الأكثر غموضًا والأكثر غموضًا ، كلما شعرت بالفوتونات التي تسرقها ، وبالتالي تكشف عن الضوء كجسيم.
وقال كيترل: “لم يكن آينشتاين وبور سيعتقدان أبدًا أن هذا ممكن ، لإجراء مثل هذه التجربة مع ذرات فردية وفوتونات واحدة”.
تزيد التجربة من غرابة الفيزياء الكمومية ، حيث يكون للجزيئات طبيعة مزدوجة ، ولا يمكننا أبدًا قياس الخصائص التكميلية في وقت واحد مثل ما إذا كان الضوء موجة أو جسيمًا ، أو موضع وزخم هذا الجسيم. يبدو أن الكون يعمل على أساس الاحتمال ، والخصائص الناشئة التي نراها قادمة من عالم الكم ليست سوى مظهر من مظاهر الإحصاءات التي تنطوي على العديد من الجسيمات ، وكلها ، إلى آينشتاين ، “تلعب الزهر”.
تم نشر البحث في 22 يوليو في مجلة رسائل المراجعة المادية.