Światło to zarówno cząstka jak i fala. Od czasów Einsteina, naukowcy starali się uchwycić oba te stany jednocześnie. Po raz pierwszy w historii udało się to naukowcom w Szwajcarii.
Mechanika kwantowa mówi nam, że światło może zachowywać się zarówno jak cząstka, jak i fala. Jest to tzw. dualizm korpuskularno-falowy, którym charakteryzuje się właściwie cała materia. Jednak nigdy nie było eksperymentu, który uchwyciłby oba te stany jednocześnie. To, co można było zobaczyć to, albo falową, albo cząstkową naturę światła. Naukowcy z EPFL – Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (Federalnej Politechniki w Lozannie) zastosowali nowatorskie podejście, aby móc skutecznie uchwycić tę dwojaką naturę światła w tym samym czasie.
Światło UV uderzające w metalową powierzchnię, powoduje emisję elektronów. Albert Einstein, chcąc wyjaśnić ten „efekt fotoelektryczny” przypomniał teorię Newtona, który pracował nad korpuskularną teorią światła, zgodnie z którą promienie światła są złożone z małych cząstek, wyrzucanych przez świecące ciała. Einstein zasugerował, że światło to nie tylko fala, ale i strumień porcji światła, tj. kwantów, które można traktować jak cząsteczki gazu. Różne eksperymenty z powodzeniem ukazywały falowe i cząstkowe zachowanie światła, ale nigdy oba zachowania w tym samym czasie.
Zespół badawczy kierowany przez Fabrizio Carbone z EPFL, przeprowadził pomysłowy eksperyment, w którym do zobrazowania światła wykorzystano odbite od niego elektrony. Badacze, po raz pierwszy w historii, uchwycili światło zachowujące się zarówno jak fala, jak i strumień cząstek.
Jak przebiegał eksperyment?
Impuls światła laserowego uderza w cienką metalową nanorurkę o średnicy 0,00008 mm. Laser dodaje energii do naładowanych cząstek w nanorurce, powodując ich wibrację. Uwięzione światło porusza się wzdłuż nanorurki, w dwóch możliwych kierunkach (niczym samochody po drodze). Kiedy fale podróżujące w przeciwnych kierunkach, spotkają się, formują nową falę, która wygląda jakby stała w miejscu. Ta stojąca fala staję się źródłem światła dla eksperymentu, promieniując wokół nanorurki.
Aby zrobić zwykłe zdjęcie, potrzeba nam światła, które odbija się od obiektu. Ale jak teraz zrobić zdjęcie samego promieniującego światła? I tutaj wychodzi pomysłowość eksperymentu. Wiemy, że światło składa się z fotonów. Badacze wystrzeliwują strumień elektronów w kierunku nanorurki i uwięzionego w niej światła. Elektrony i fotony są tak, blisko siebie, że zmuszone są do oddziaływania między sobą. Elektrony uderzając w fotony, są przyśpieszane lub spowalniane. Zespół Carbone’a zdołał określić, w którym miejscu elektrony zwalniały, a gdzie przyspieszały. Ta zmiana prędkości ujawnia się jako wymiana „pakietów” energii (kwantów) pomiędzy elektronami, a fotonami.
Występowanie tych pakietów energii pokazuje, że światło uwięzione w nanorurce zachowuje się również jak cząstka. Foton, który oddawał energię, przyspieszał elektron, a foton który przyjmował energię, zwalniał elektron. Wykorzystując ultraszybki mikroskop, naukowcy mogą wychwycić pozycję gdzie zachodzi taka zmiana prędkości. Wystarczy zrobić teraz zdjęcie i uchwycić falę stojącą. Dzięki temu mamy zobrazowaną falową oraz cząstkową naturę światła.
Eksperyment ten pokazuje, że po raz pierwszy w historii, możemy bezpośrednio filmować mechanikę kwantową i jej paradoksalną naturę
Mówi Fabrizio Carbone. Ponadto, znaczenie tego pionierskiego eksperymentu może wykraczać poza fundamentalną naukę i technologię. Jak wyjaśnia Carbone:
Będąc w stanie obrazować i kontrolować kwantowe zjawiska w skali nanometrów, jak w tym przypadku, wytyczamy nowy kierunek w dziedzinie informatyki kwantowej.
