Цей принцип, що лежить в основі квантової теорії, був введений в науковий обіг Нільсом Бором. Гарною ілюстрацією поняття «додатковість» служить найвідоміше положення про корпускулярно-хвильовому дуалізм: квантові об’єкти можуть проявляти і корпускулярні і хвильові властивості, причому два варіанти опису частинок мікросвіту не суперечать один одному, а вважаються взаємно додатковими. Розмірковуючи про дуалізм в контексті досвіду Юнга (простого експерименту, в якому світло падає на екран з двома паралельними отворами), Бор зробив висновок, що дослідження комплементарних властивостей якого-небудь об’єкта вимагає несумісних один з одним експериментальних схем.
Додатковість корпускулярного і хвильового описів легко продемонструвати з допомогою інтерферометра Маха – Цандера. На шляху фотона тут встановлюються два светоделителя, один з яких – вихідний – забезпечений реєструючими пристроями. Якщо в цій схемі, показаної нижче, нічого не змінювати, експериментатори будуть спостерігати інтерференційну картину; іншими словами, фотон веде себе подібно хвилі, яка поширюється в обох плечах інтерферометра. Коли вихідний светоделитель прибирають, прихід кванта світла реєструє або перший детектор, або другий, а фотон проходить по якомусь одному плеча інтерферометра, виявляючи властивості частки.
Ще в 1978 році американський теоретик Джон Арчибальд Уілер розглянув цікаву модифікацію описаного експерименту, в якій питання про встановлення другого светоделителя вирішується (за допомогою генератора випадкових чисел) вже після поглинання кванта світла в інтерферометр. Такий варіант методики, успішно реалізований у 2006-му, виключає можливість того, що фотон визначає лінію поведінки заздалегідь.
Австралійські фізики розвинули ідею Уїлера, замінивши класичне пристрій, яке використовувалося при виборі типу схеми, квантовим. Останнім готується в суперпозиционном стані 2– ½ (|0> + |1>), а від результату вимірювання – 0 або 1 – залежить, буде встановлено вихідний светоделитель чи ні.
Ця версія досвіду цікава тим, що вона допускає зворотний порядок тимчасової вимірювань: можна спочатку зареєструвати фотон, а потім вже вирішувати, як йому потрібно себе вести. Звідси випливає можливість підготовки фотона в суперпозиції станів «хвиля» і «частка», які, очевидно, відображають лише наші уявлення про нього, а не його реальні характеристики.
Квантовий «генератор випадкових чисел» також дозволяє вивчати хвильові і корпускулярні властивості фотонів на одній і тій же установці, що суперечить зазначеній вище формулюванні принципу додатковості, знайденої Бором.
Звіт, підготовлений австралійцями, опублікований в журналі Physical Review Letters; препринт статті можна завантажити з сайту arXiv.
Підготовлено за матеріалами Американського фізичного товариства.
Текст: Дмитро Сафін
«Комп’ютерра–Онлайн»
