Команда фізиків провела незвичайний експеримент з космічним супутником і з’ясувала, що завдяки квантовій механіці минуле може визначатися справжнім, а принцип причинно-наслідкових зв’язків ставиться під сумнів.
Незвичайний космічний експеримент підтвердив, що, як і стверджує квантова механіка, реальність – це те, що вибрав сам чоловік. Фізикам давно було відомо, що квант світла (фотон) буде вести себе як хвиля і як частка в залежності від того, як саме вчені вимірюють її. Тепер же, успішно відбивши фотон від орбітального супутника, команда дослідників підтвердила, що спостерігач може вирішити це питання навіть тоді, коли світловий квант вже пройшов через «точку прийняття рішень». За словами вчених, подібні експерименти з відкладеним вибором в майбутньому дозволять досліджувати кордону між квантової теорії і теорії відносності.

Подібний експеримент вже проводився в лабораторних умовах, проте на цей раз дослідники довели, що природа фотона залишається невизначеною навіть якщо частці доводиться долати тисячі кілометрів. Філіп грандж, фізик з Інституту оптики в скотарство, Франція, який в минулому якраз брав участь в лабораторному експерименті, стверджує, що подібні досліди відмінно підходять для «здійснення квантової фізики в космосі».

Квантовий дуалізм: чи може даний визначати минуле?

Так в чому ж суть досвіду? Нагадаємо, що фотон може проявляти властивості або частки, або хвилі, в залежності від того, який метод вимірювання воліють вчені. В кінці 1970-х років знаменитий теоретик Джон Арчібальд Уілер зрозумів, що експериментатори можуть відкласти свій вибір до тих пір, поки фотон майже повністю не пройде крізь пристрій, налаштоване на те, щоб підкреслити ту чи іншу властивість частки. Це показує, що поведінка фотона в даному випадку не визначено. Щоб перевірити свою гіпотезу, Уілер запропонував поодинці пропускати фотони через так званий інтерферометр Маха-Цендера, що підкреслює хвильову природу світла. Завдяки дзеркальному «расщепителя променів», пристрій розділяє квантову хвилю вхідного світлового потоку на дві частини і направляє їх по двох різних шляхах. Після цього другий расщепитель рекомбинирует хвилі, що викликає стан інтерференції і активує два детектора. Те, який детектор зловить сигнал першим, залежить від різниці довжин двох світлових потоків – очікуване поведінка для интерферирующих хвиль.
Ось що є простим Интерферометр Маха – Цендера
Але що, якщо другий роздільник просто видалити з системи? В такому випадку світло перестає проявляти властивості хвилі: перший роздільник просто відправить фотон з того чи іншого напрямку, як звичайну частку. А оскільки ці шляхи перетинаються там, де раніше був другий розділовий знак, який детектори спрацюють з однаковою ймовірністю, незалежно від довжини пройденого фотоном шляху. Уілер ж пропонує видалити другу частину пристрою вже після того, як перша розщепить світловий потік. Це звучить дивно, оскільки створює парадокс: рішення, прийняте в теперішньому часі (прибрати або не прибрати другий роздільник) визначає подія минулого (розщеплюється чи фотон як хвиля або ж проходить по одній траєкторії як частка). Сучасна квантова теорія уникає коментарів з цього приводу, припускаючи, що до самого факту вимірювання фотон залишається як часткою, так і хвилею.

Новий експеримент: подорож в космос і назад

Нова команда дослідників на чолі з Франческо Ведовато і Паоло Віллорезі з Університету Падуї в Італії провела свою версію експерименту з використанням 1,5-метрового телескопа в Лазерної обсерваторії «Матера» на півдні Італії. Ідея була в тому, щоб відправити фотони в космос, після чого ті відіб’ються від супутника. Справа в тому, що, як зазначає Віллорезі, на таких величезних відстанях фізики не можуть провести світло двома ідеально паралельними шляхами – розширюються в просторі промені будуть неминуче зливатися і перекривати один одного. Замість цього вони пропускають фотон через інтерферометр Маха-Цендера на Землі, налаштований на траєкторії виходу різної довжини. Різниця між імпульсами становить 3,5 наносекунди, а самі вилітають частинки телескоп випускає в небо.

Як тільки імпульси відіб’ються від супутника і повернуться на нашу планету, фізики знову пропускають його через інтерферометр. Пристрій при цьому може поставити галочки та часове зрушення (що означає, що імпульси перекрили один одного і фотон повівся як хвиля), або його відсутність (тобто фотони поводяться як частки). Коли імпульси в перший раз залишають пристрій, вони мають різною поляризацією. Щоб відзначити зрушення в часі, фізики спочатку повинні провести дуже швидку електронну реполяризацию, а щоб довести його відсутність, досить просто не проводити ніяких маніпуляцій.