実際の実験は、ニールス・ボーアがアインシュタインとの理論的議論において正しかったことを示している

中国の科学者らは、ニールス・ボーアと彼の一派の物理学者が提唱した相補性の量子力学的原理を反証しようとしたアルバート・アインシュタインがほぼ1世紀前に初めて提案した実験を行った。ボーアは、粒子には同時に測定できない特性があると主張しました。この新しい結果は、コペンハーゲン学派を再び裏付けるものであり、量子力学の他のまだ解決されていない問題に光を当てる可能性がある。

アルバート・アインシュタインとニールス・ボーアは、物理学の会議で会ったとき、量子力学についてくつろいで議論するのが好きでした。アインシュタインは、当時開発されていた量子力学の標準的な全体像に常に懐疑的でしたが、ボーアの解釈の穴や矛盾を発見したと好んで主張し、ボーアは常に挑戦に前向きでした。

1927年にブリュッセルで開催されたソルベー会議で、2人のノーベル賞受賞者はおそらく最も有名なパーリーを行い、アインシュタインは「神は宇宙でサイコロを振らない」と有名に宣言した。特に、アインシュタインは、位置と運動量、周波数と寿命などの粒子の特性のペアは同時に測定できないとする相補性の原理の本質的な矛盾を明らかにすると考えた実験を提案しました。相補性は、波動と粒子の二重性とハイゼンベルクの不確定性原理の概念を支えています。

アインシュタインは、2 つの狭いスリットが水平に並んだ実験を想像しました。それだけでは、スリットに向けられた粒子は、スリットの後ろの表示画面に干渉縞を表示します。これは標準的な二重スリット実験であり、1801 年にトーマス ヤングによって光について最初に説明され、1927 年に電子に対して実施され、電子の波のような性質が示されました。

この実験の延長として、アインシュタインは、粒子が最初に、これも水平に整列した単一のスリットを通過することを提案しました。この単一のスリットは、運動量に敏感なバネによって上下で保持されることになっていました。

したがって、後の 2 つのスリットの上部に向かう粒子は、単一のスリットが反動するときに下向きの運動量に影響を与え、その粒子の性質を示します。しかし、二重スリットとその結果として生じる干渉パターンの後では、粒子の波のような性質が明らかになります。しかし、そのような周縁は相補性原理に矛盾するとアインシュタインは主張した。ボーア氏はこれに反対した。

中国科学技術大学のJian-Wei Panらによって行われた実験は、ボーアの立場を裏付けた。彼らの論文はに掲載されました 物理的なレビューレター。

ボーアの主張は、粒子の運動量を正確に測定すると、不確定性原理に従って粒子の位置に大きな不確実性が残り、その結果、干渉縞がぼやけてしまうというものでした。それはまさに新しい研究で観察されたことです。

Panらの実験では、粒子は光子、つまり光の量子粒子であり、光ピンセットで所定の位置に捕捉された単一のルビジウム(Rb)原子が単一のスリットとして機能した。

原子は冷却され、三次元調和ポテンシャルの基底状態になりました。彼らの実験設計では、この単一原子は超軽量ビームスプリッターとして機能し、その運動量は入射光子の運動量と絡み合い、その運動量の不確実性は単一光子のそれにまで引き下げられます。

光ピンセットのトラップ深さを変えると、ルビジウム原子の固有運動量の不確実性が動的に調整され、その結果、相補性原理とボーアの予測に従って縞が多かれ少なかれぼやけました。

問題の 1 つは、トラップを形成する集束レーザーの周波数ドリフトによって引き起こされる原子の加熱でした。後者はピンセットの深さを上下に傾斜させ、入ってくる光子を散乱させます。

研究チームは、走査型ラマン分光法をリアルタイムで使用して残留温度を抽出することで、原子加熱の影響を校正することができました。

ラマン分光法では、レーザー光を使用して分子振動を調査します。単一波長のレーザー光がサンプルに照射されます。ほとんどの光はエネルギーの変化なしに弾性的に散乱しますが、少数の光は非弾性的に散乱し、周波数 (エネルギー) の変化によって化学結合、組成、分子相互作用の存在が明らかになります。

より高い周波数とより低い周波数の比は、原子の振動モードの熱分布に直接比例し、ボース アインシュタイン分布に従います。この方法で原子の温度を抽出できます。

現代的な観点から、著者らは、「アインシュタイン・ボーア干渉の可視性は、光子とスリットの間の運動量自由度における量子のもつれの程度によって決まる」と書いている。

彼らはまた、量子限界と原子の運動状態の古典的加熱との違いを調査し、これにより量子から古典への遷移の観察が可能になった。

量子力学の相補性原理は長い間実験によって証明されてきましたが、思考実験に基づいて古くて有名な議論を実現し解決することは常に注目に値します。研究チームは現在、量子状態トモグラフィーを使用して量子スリットの量子状態を決定し、もつれを直接調べることを期待している。同様に、スリットの質量を徐々に増加させると、デコヒーレンスともつれの間の相互作用を調べることが可能になります。

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