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有名なダブルスリットの実験は、その量子エッセンシャルに剥ぎ取られたときに持ちこたえます| MITニュース

MIT物理学者は、量子物理学で最も有名な実験の1つの理想的なバージョンを実行しました。彼らの発見は、原子レベルの精度で、光の二重でありながら回避的な性質を示しています。彼らはまた、アルバート・アインシュタインがこの特定の量子シナリオについて間違っていたことを確認しています。問題の実験はです ダブルスリット実験、1801年にイギリスの学者トーマス・ヤングによって最初に行われ、光が波としてどのように振る舞うかを示しました。今日、量子力学の定式化により、ダブルスリットの実験は、頭をひっくり返す現実の驚くほど単純なデモンストレーションで知られています。その光は粒子と波の両方として存在します。まだ見知らぬ人、この二重性は同時に観察することはできません。粒子の形で光を見ると、その波のような性質が即座にあいまいになり、その逆も同様です。元の実験では、画面内の2つの平行スリットを通って光のビームを照らし、2秒の遠い画面に形成されたパターンを観察しました。 2つの重複する光の斑点が見られると予想されるかもしれません。これは、直接的な経路をたどるペイントボールのような光子として光が存在することを意味します。しかし、代わりに、光は画面上に交互に明るいストライプと暗いストライプを生成します。池の2つの波紋が出会ったときに起こることと同様の干渉パターンで。これは、光が波として動作することを示唆しています。さえも、光がどのスリットを通過しているかを測定しようとすると、光は粒子と干渉パターンが消えると突然動作します。ダブルスリットの実験は、今日、ほとんどの高校の物理学のクラスで、量子力学の基本原理を説明する簡単な方法として教えられています。光を含むすべての物理的なオブジェクトは、同時に粒子と波であるということです。ほぼ1世紀前、この実験は、物理学者のアルバート・アインシュタインとニールズ・ボーアの間の友好的な議論の中心にありました。 1927年、アインシュタインは、光子粒子が2つのスリットのうちの1つのみを通過し、その過程で、葉が飛ぶと葉をざわざる鳥のように、そのスリットにわずかな力を生み出すべきだと主張しました。彼は、干渉パターンを観察しながら、そのような力を検出し、それによって光の粒子と波の性質を同時に捕まえることができると提案しました。これに応じて、Bohrは量子機械的不確実性原理を適用し、光子の経路の検出が干渉パターンを洗い流すことを示しました。科学者はそれ以来、ダブルスリット実験の複数のバージョンを実施しており、それらはすべて、さまざまな程度で、Bohrによって策定された量子理論の妥当性を確認しました。現在、MIT物理学者が演奏しています 最も「理想化された」バージョン これまでのダブルスリット実験の。彼らのバージョンは、その実験をその量子の必需品に剥ぎ取ります。彼らは個々の原子をスリットとして使用し、弱い光のビームを使用して、各原子が最大1つの光子に散乱するようにしました。異なる量子状態で原子を準備することにより、原子が光子の経路について得た情報を変更することができました。したがって、研究者は量子理論の予測を確認しました。光の経路（つまり粒子の性質）に関する情報が得られるほど、干渉パターンの可視性は低くなります。 彼らは、アインシュタインが間違っていることを示しました。通過する光子によって原子が「ざわざ」するたびに、波の干渉が減少します。「アインシュタインとボーアは、これが可能であるとは考えていなかったでしょう。単一の原子と単一の光子でこのような実験を行うことです」と、ジョン・D・マッカーサーの物理学教授であり、MITチームのリーダーであるヴォルフガング・ケッターは言います。 「私たちがやったことは、理想的なゲダンケン実験です。」彼らの結果 ジャーナルに表示されます 物理的なレビューレター。 KetterleのMIT共著者には、第一著者のVitaly Fedoseev、Hanzhen Lin、Yu-Kun Lu、Yoo Kyung Lee、およびJiahao Lyuが含まれます。コールド閉じ込めMIT実験でのKetterleのグループは、絶対ゼロのすぐ上の温度に超クールで、レーザー光に閉じ込められる構成に並んでいます。これらのウルトラコールドの中で、慎重に調整された雲の中で、量子の単一原子スケールでのみ発生するエキゾチックな現象が現れる可能性があります。最近の実験では、チームは一見無関係な質問を調査しており、光散乱がウルトラコールド原子から作られた材料の特性をどのように明らかにすることができるかを研究していました。「この散乱プロセスが粒子や波のような程度を定量化できることを認識しました。この新しい方法を適用して、この有名な実験を非常に理想的な方法で実現できることにすぐに気付きました」とFedoseev氏は言います。彼らの新しい研究では、チームは10,000を超える原子を扱い、それをマイクロケルビンの温度に冷却しました。彼らは、一連のレーザービームを使用して、凍結原子を均等に間隔を空けたクリスタルのような格子構成に配置しました。この配置では、各原子は他の原子から十分離れているため、それぞれが単一の孤立した同一の原子と効果的に見なすことができます。また、10,000個のそのような原子は、単一の原子と比較して、より簡単に検出される信号を生成できます。このグループは、この配置により、原子を通して弱い光のビームを照らし、単一の光子が波または粒子として2つの隣接する原子をどのように散乱させるかを観察するかもしれないと推論しました。これは、元のダブルスリット実験で、光が2つのスリットを通過する方法と似ています。「私たちがしたことは、ダブルスリットの実験の新しいバリアントと見なすことができます」とケッターレは言います。 「これらの単一の原子は、おそらく構築できる最小のスリットのようなものです。」チューニングファズ単一光子のレベルで作業するには、実験を何度も繰り返し、超高感度検出器を使用して原子から散乱する光のパターンを記録する必要がありました。検出された光の強度から、研究者は光が粒子として動作するのか波として動作するかを直接推測できます。彼らは、彼らが送った光子の半分が波として振る舞い、半分が粒子として振る舞った状況に特に興味がありました。彼らは、原子の「曖昧さ」またはその位置の確実性を調整することにより、光子が波と粒子として現れる確率を調整する方法を使用してこれを達成しました。実験では、10,000個の原子のそれぞれが、ライトのホールドを締めたり緩めたりするように調整できるレーザー光によって所定の位置に保持されます。よりゆるく原子が保持されるほど、あいまいな、またはより「空間的に広範囲」になるように見えます。曖昧な原子はより簡単に錆び、光子の経路を記録します。したがって、原子の曖昧さを調整する際に、研究者は光子が粒子状の挙動を示す確率を高めることができます。彼らの観察は、理論的記述と完全に一致していました。跳ね上がります彼らの実験では、グループは光子の経路を検出する方法についてのアインシュタインのアイデアをテストしました。概念的には、各スリットがスプリングによって空気中に吊り下げられた非常に薄い紙に切断された場合、1つのスリットを通過する光子は、光子の粒子の性質の信号となるある程度、対応するスプリングをある程度揺さぶるはずです。二重スリット実験の以前の認識では、物理学者はそのような春のような成分を取り入れており、春は光子の二重の性質を説明する上で大きな役割を果たしました。しかし、ケッターレと彼の同僚は、ことわざスプリングなしで実験を行うことができました。チームの原子の雲は、最初は、スプリングで吊り下げられたスリットのアインシュタインの概念と同様に、レーザー光によって所定の位置に保持されています。研究者は、もし彼らが彼らの「春」を廃止し、まったく同じ現象を観察するならば、それはスプリングが光子の波/粒子の二重性に影響を与えないことを示すだろうと推論した。これも彼らが見つけたものでした。複数回の走行で、原子を所定の位置に保持しているばねのようなレーザーをオフにし、原子がより毛羽立ち、最終的に重力のために落ちた後、すぐに100万秒で測定しました。この小さな時間では、原子は自由空間に効果的に浮かんでいました。この春のないシナリオでは、チームは同じ現象を観察しました。光子の波と粒子の性質を同時に観察できませんでした。「多くの説明において、スプリングスは大きな役割を果たしています。しかし、私たちは、ここではスプリングが重要ではないことを示しています。重要なのは原子の曖昧さのみです」とフェドシェフは言います。 「したがって、光子と原子の量子相関を使用するより深い説明を使用する必要があります。」研究者たちは、2025年が国連によって国際量子科学技術の年として宣言されており、100年前に量子力学の策定を祝っていることに注目しています。ボーアとアインシュタインの二重照明実験に関する議論は、わずか2年後に行われました。「私たちが量子物理学を祝うのと同じ年に、この歴史的な論争を明確にするのを助けることができるのは素晴らしい偶然です」と共著者のリーは言います。この作業は、一部は国立科学財団、米国国防総省、ゴードンとベティムーア財団によって支援されました。 #有名なダブルスリットの実験はその量子エッセンシャルに剥ぎ取られたときに持ちこたえます #MITニュース