Tek atomdan gelen kuantum boşluğu: Fizikçiler Einstein-Bohr anlaşmazlığında açığı kapatıyor

Albert Einstein ve Niels Bohr arasındaki efsanevi tartışmadan neredeyse bir yüzyıl sonra, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Jian-Wei Pan liderliğindeki bir ekip, ünlü “geri tepme yarık” düşünce deneyini özellikle aslına sadık bir biçimde laboratuvara getirdi. Physical Review Letters'ın Aralık sayısında yayınlanan çalışma (arXiv.org'da bir ön versiyon mevcut) açıkça tanımlanmış bir boşluğu kapatıyor: İlk kez, kuantum sınırlı, ayarlanabilir “hareketli yarığa” sahip doğrusal-optik tek fotonlu bir interferometre gerçekleştirildi – Einstein'ın orijinal fikrine daha önce hiç olmadığı kadar yakın.

Çift yarık deneyi: “Tek gizem”

Richard Feynman bir keresinde çift yarık deneyini “kuantum mekaniğinin kalbi” ve “gerçekte tek gizem” olarak adlandırmıştı. Tek tek parçacıkları iki dar yarıktan gönderirseniz, klasik parçacıklar gibi noktalar halinde çarparlar; ancak birçok geçişten sonra, sanki her parçacık her iki yarıktan aynı anda geçen ve kendine müdahale eden bir dalgaymış gibi bir girişim deseni oluşturulur. Ancak parçacığın hangi yolu izlediğini anlamaya çalıştığınız anda girişim deseni ortadan kayboluyor. Bu tamamlayıcılık (dalga veya parçacık özellikleri, ancak asla ikisi aynı anda değil) 1927'de Solvay Konferansı'ndaki ünlü Bohr-Einstein tartışmalarının başlangıç ​​noktasıydı.

O zamanlar Einstein, tamamlayıcılığı baltalaması beklenen bir düşünce deneyi önerdi: Hassas yaylar üzerindeki “hareketli bir yarık”, içinden bir foton geçtiğinde ve bu süreçte saptığında geri tepmeyi kaydetmelidir. Foton yolu geri tepmeden belirlenebilir ve girişim deseninin yine de korunması gerekir. Bohr buna Heisenberg'in belirsizlik ilkesiyle karşılık verdi: Boşluğun momentumunu yeterince hassas bir şekilde ölçmek istiyorsanız, uzaysal belirsizliği o kadar artar ki girişim desenini bulanıklaştırır.

Önceki denemelerdeki boşluklar kapatıldı

Bu düşünce deneyine yönelik deneysel yaklaşımlar zaten mevcuttu; örneğin moleküller ve X-ışınları veya teorik iyon tuzağı önerisi. Ancak bu yaklaşımlar ya foton durumunu yok etti, ek serbestlik dereceleri kullandı ya da gerçek bir doğrusal-optik interferometreyi temsil etmedi.

Çinli ekip artık kavramsal olarak “saf” bir yapıyı fark etti: Optik bir cımbızdaki radyoizotop rubidyum-87'nin temel hareket durumuna soğutulmuş tek bir atomu, hareketli bir yarık görevi görüyor. Bir foton emilmeden saçılır ve saçılan ışık daha sonra girişim yapar. Önemli olan ne iç atomik durumların ne de termal hareketin ek yol bilgisi sağlamamasıdır; atom neredeyse ideal bir kuantum mekaniksel ışın ayırıcı gibi davranır.

Kuantum ve klasik fizik arasındaki geçiş

Optik cımbızın yakalama derinliği değiştirilerek atomun darbe belirsizliği 0,78 ila 1,60 foton darbesi arasında ayarlanabilmekte ve böylece girişim görünürlüğü sistematik olarak kontrol edilebilmektedir. Küçük bir tuzak derinliğinde atomik geri tepme, fotonun yolu hakkında birçok bilgi içerir – foton ve atom güçlü bir şekilde dolaşmış durumdadır, girişim ortadan kalkar. Tuzak derinse, kuantum dalgalanmalarındaki geri tepme “kaybolur” ve girişim kalır. Ölçülen görünürlükler, minimum Heisenberg belirsizliğine ilişkin teorik öngörüyü tam olarak takip ediyor.

Ek olarak, araştırmacılar kuantum mekaniksel gürültüyü klasik ısınmadan ayırabildiler ve böylece kuantum sınırlı rejimden klasik egemen rejime geçişi doğrudan gözlemleyebildiler; bu da Bohr'un konumunun deneysel bir doğrulamasıydı.

Sonuç fiziksel olarak devrim niteliğinde değil; görünürlük, dolaşıklık ve tamamlayıcılık arasındaki bağlantı uzun süredir teorik olarak açıklığa kavuşturulmuştur. Ancak tek fotonlu bir interferometrenin, hareketli bir yarık olarak kuantum sınırlı bir atomun ve optik olarak ayarlanabilir bir darbe bulanıklığının bu spesifik kombinasyonunda doğrudan bir model yoktur. Ancak bu, Einstein'ın düşünce deneyinin bugüne kadarki “en anlaşılır ders kitabı versiyonu” olabilir.

(vza)