Ett 100 år gammalt tankeexperiment som Albert Einstein föreslog för att utmana Niels Bohrs idéer om kvantmekanik har realiserats i ett verkligt test. Forskare ledda av Chao-Yang Lu vid University of Science and Technology of China använde moderna verktyg för att bekräfta Bohrs komplementaritetsprincip. Resultaten visar att ljus uppvisar både våg- och partikelegenskaper, men inte samtidigt på ett tydligt sätt.
Rivaliteten mellan Albert Einstein och Niels Bohr kring kvantmekanik går tillbaka till 1927 och kretsar kring dubbelspaltexperimentet som först demonstrerades av Thomas Young 1801. Young bevisade att ljus beter sig som en våg genom att visa ett interferensmönster med ljusa och mörka ränder på en skärm efter passage genom två sprickor. Einstein hävdade att ljus är en partikel, medan Bohr införde komplementaritet och föreslog att kvantobjekt kan agera som vågor eller partiklar men inte båda samtidigt.
Einstein föreslog att modifiera experimentet med en rekylspricka för att spåra en fotons väg, vilket han trodde skulle avslöja båda beteendena samtidigt och motsäga Bohr. Nästan ett sekel senare förverkligade Lu och hans team vid University of Science and Technology of China detta. De avfyrade en enda foton mot en ultrakall atom som fungerade som sprickan, kyld med lasrar och elektromagnetiska krafter för exakt kontroll.
Atomen rekylade vid interaktionen, vilket satte fotonen i ett tillstånd som efterliknade passage genom två vägar och producerade ett interferensmönster. Genom att justera atomens rörelsemängdsosäkerhet, enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip, kunde teamet sudda ut mönstret vid precis mätning av vilken-väg-information. I mellanlägen dök ett suddigt interferensmönster upp bredvid partiella rekyluppgifter, vilket visade båda egenskaperna delvis. "Att se kvantmekanik 'i aktion' på denna grundläggande nivå är helt enkelt andlös", sade Lu.
Bohrs motargument höll: exakt positionskunskap suddar ut rörelsemängd och förstör mönstret. Ett relaterat experiment i år av Wolfgang Ketterle vid Massachusetts Institute of Technology använde två ultrakalla atomer och lasrar och bekräftade liknande resultat även utan rekylmekanismer. "I atomfysik, med kalla atomer och lasrar, har vi verkliga möjligheter att visa kvantmekanik med en klarhet som inte var möjlig tidigare", noterade Ketterle.
Philipp Treutlein vid University of Basel prisade arbetet för att stämma överens med historiska förutsägelser och dess pedagogiska inverkan. Lu hoppas att det väcker förundran över kvantmekanikens skönhet. Resultaten publiceras i Physical Review Letters (DOI: 10.1103/93zb-lws3).