Ahogyan a kutatók bemutatják, a kétféle viselkedés közül mindig csak az egyiket figyelhetjük meg – egyszerre sosem mindkettőt. Ez a megfigyelés megerősíti Niels Bohr híres elvét, a komplementaritást, és egyben ellentmond Albert Einstein 1927-es elképzelésének, miszerint a fény ezen kettős mivoltát elviekben egyszerre is ki lehet mutatni.

A kétrés-kísérletet először Thomas Young végezte el 1801-ben, és ezzel megmutatta, hogy ha a fény két résen halad át, interferenciamintázatot hoz létre – vagyis hullámként viselkedik. Ha viszont megpróbáljuk megfigyelni, hogy a fény melyik résen halad át, az interferenciamintázat eltűnik, és a fény részecskeként kezd viselkedni. Ez a paradox viselkedés ma már a kvantummechanika egyik alappillére.

Einstein 1927-ben azt javasolta, hogy a foton áthaladása a résen egy kis zavart vagy erőt okoz – hasonlóan ahhoz, ahogy egy madár megrezegteti a leveleket, amikor elrepül mellettük. Magyarán: nincs kettős természet, csupán létrejön egy rugóhatás az ütközés mechanikai következményeként, ami a hullámmintát okozza. Einstein szerint éppen ezért elvileg lehetséges, hogy egyszerre érzékeljük a foton útját (részecskeviselkedés) és az interferenciát (hullámviselkedés). Niels Bohr ezzel szemben viszont azt állította, hogy már pusztán az út meghatározására tett kísérlet is elrontaná az interferenciamintázatot – a kvantumbizonytalanság miatt.

A Nobel-díjas Wolfgang Ketterle vezette MIT-kutatócsoport most a kísérlet egy erősen leegyszerűsített, elméleti változatát tervezte meg. Több mint 10 000 egyedi atomot zártak be egy lézerrel létrehozott optikai rácsba, és mikrokelvin hőmérsékletre hűtötték őket. Ezek szolgáltak a lehető legkisebb „résekként”. Ezután nagyon gyenge fénysugarakat irányítottak az atomokra, ügyelve arra, hogy minden egyes foton csak egyetlen atommal lépjen kölcsönhatásba. A kutatók az atomok „homályosságát” – vagyis azt, hogy mennyire pontosan ismert a helyzetük – szabályozva azt is befolyásolták, hogy mennyi információ szerezhető a foton útjáról.

A kvantummechanika – és Bohr előrejelzése – szerint minél pontosabban lehetett tudni, merre haladt a foton, annál kevésbé jelent meg az interferenciamintázat. Vagyis az atom pozíciójának bizonytalansága határozta meg, hogy a foton inkább hullámként vagy részecskeként viselkedett.

A kutatás külön érdekessége, hogy a csapat Einstein fent említett „rugóanalógiáját” is letesztelte. Ehhez eltávolították az atomokat korábban „rugószerűen” rögzítő erőhatásokat, majd megismételték a kísérletet. Az eredmények változatlanok maradtak, így kiderült: nem a mechanikai zavar a döntő tényező, hanem a foton és az atom között létrejövő kvantum-összefonódás.

„Ez egy idealizált Gedanken-kísérlet” – mondta Ketterle. „Einstein és Bohr aligha tudtak volna elképzelni ilyen szintű kontrollt egyetlen foton és egyetlen atom fölött.”

Az eredményeket a Physical Review Letters közölte. A kutatás nemcsak egy történelmi jelentőségű vita végére tesz pontot, hanem méltó módon járul hozzá a 2025-ös évhez is, amelyet a Kvantumtudomány és -technológia Nemzetközi Évének nyilvánítottak.

(Kép: MIT)