Эксперимент Афшара — оптический эксперимент, предложенный и проведённый Шахрияром Афшаром в 2004 году для проверки принципа дополнительности Нильса Бора. В этом эксперименте свет, производимый лазером, проходит через два близко расположенных точечных отверстия и фокусируется линзой таким образом, что изображение каждого отверстия падает на отдельный однофотонный детектор. Кроме того, прямо перед линзой в минимумах интерференционной картины (тёмных полосах) размещается сетка из тонких проволок.

Эксперимент Афшара представляет собой вариант двухщелевого эксперимента для фотонов, в котором якобы проявляются одновременно волновые и корпускулярные свойства фотонов. Афшар утверждал, что эксперимент даёт информацию о том, по какому пути фотон проходит через установку (проявляясь как частица), одновременно позволяя наблюдать интерференцию между путями (проявляясь как волна). По мнению Афшара, это нарушает центральный в квантовой механике принцип дополнительности, который утверждает, что один объект невозможно одновременно наблюдать или измерить и как волну, и как частицу в одном эксперименте.

Эксперимент был проанализирован и неоднократно воспроизведён другими авторами. Результаты эксперимента были доложены на конференции Американского института физики и опубликованы в известных научных журналах, что вызвало большие споры об их интерпретации в физическом сообществе. Большинство предположений сводится к тому, что нарушения принципа дополнительности в этих экспериментах не происходит, причём указываются различные причины этого. Существует несколько теорий, объясняющих данный эффект без нарушения принципа дополнительности.

Автор транзакционной интерпретации квантовой механики Джон Г. Крамер утверждает, что эксперимент предоставляет доказательства в пользу транзакционной интерпретации по сравнению с другими интерпретациями.

История Экспериментальная работа Шахриара Афшара изначально проводилась в Институте радиационно-индуцированных массовых исследований (IRIMS) в Бостоне, а затем была воспроизведена в Гарвардском университете, где он находился в качестве приглашенного исследователя. Результаты были впервые представлены на семинаре в Гарварде в марте 2004 года. Эксперимент стал главной темой на обложке выпуска научно-популярного журнала New Scientist от 24 июля 2004 года, получив поддержку профессора Джона Г. Крамера из Вашингтонского университетаAfshar's Quantum Bomshell Science Friday. Статья в New Scientist вызвала множество откликов, включая различные письма в редакцию, опубликованные в выпусках от 7 и 14 августа 2004 года, в которых оспаривались выводы Афшара. Результаты были опубликованы в материалах конференции Общества оптики и фотоники (SPIE) в 2005 году. Последующая статья была опубликована в научном журнале Foundations of Physics в январе 2007 года и снова освещалась в New Scientist в феврале 2007 года.

Экспериментальная установка

В эксперименте используется установка, аналогичная установке для двухщелевого эксперимента. В варианте Афшара свет, производимый лазером, проходит через два близко расположенных круглых точечных отверстия (а не щели). После двойного отверстия линза перефокусирует свет так, что изображение каждого отверстия падает на отдельные детекторы фотонов (Рис. 1). При закрытом отверстии 2 фотон, проходящий через отверстие 1, попадает только на детектор фотонов 1. Аналогично, при закрытом отверстии 1 фотон, проходящий через отверстие 2, попадает только на детектор фотонов 2. При обоих открытых отверстиях Афшар утверждает, ссылаясь на Джона Уилера, что отверстие 1 остается коррелированным с детектором фотонов 1 (и наоборот, отверстие 2 с детектором фотонов 2), и, следовательно, информация о пути («какой-путь») сохраняется, когда открыты оба отверстия.

Когда свет ведет себя как волна, из-за квантовой интерференции можно наблюдать области, которых фотоны избегают, называемые тёмными полосами. В эксперименте, сетка из тонких проволок помещается непосредственно перед линзой (Рис. 2) таким образом, чтобы проволоки располагались в тёмных полосах интерференционной картины, создаваемой установкой с двойным отверстием. Если одно из отверстий перекрыть, интерференционная картина больше не будет формироваться, и проволочная сетка вызовет заметную дифракцию света, а также заблокирует часть его от регистрации соответствующим детектором фотонов. Однако, когда открыты оба отверстия, влияние проволок пренебрежимо мало — ситуация сравнима с той, когда перед линзой нет проволок (Рис. 3), поскольку проволоки находятся в тёмных полосах интерференционной картины.

Интерпретация Афшара Вывод Афшара заключается в том, что при обоих открытых отверстиях свет демонстрирует волновое поведение при прохождении мимо проволок, поскольку свет проходит через промежутки между проволоками, но избегает самих проволок, а также демонстрирует корпускулярное поведение после прохождения через линзу, когда фотоны попадают на коррелированный фотодетектор. Афшар утверждает, что это поведение противоречит принципу дополнительности, поскольку в одном и том же эксперименте для одних и тех же фотонов проявляются как волновые, так и корпускулярные характеристики.

Афшар заявляет, что одновременно присутствует высокая видимость интерференции и высокая различимость путей (соответствующая информации о пути), так что , и соотношение двойственности Энглерта — Гринбергера () нарушается.

Реакция научного сообщества

Критика Ряд учёных опубликовали критику интерпретации результатов Афшара. Некоторые из них отвергают утверждения о нарушении принципа дополнительности, расходясь при этом в объяснении того, как принцип дополнительности справляется с этим экспериментом. Например, в одной из работ оспаривается ключевое утверждение Афшара о том, что нарушается соотношение двойственности Энглерта — Гринбергера. Исследователи повторно провели эксперимент, используя метод измерения видимости интерференционной картины, отличный от метода Афшара, и не обнаружили нарушения принципа дополнительности, сделав вывод: «Этот результат демонстрирует, что эксперимент может быть полностью объяснён копенгагенской интерпретацией квантовой механики».

Ниже представлен синопсис работ нескольких критиков с выделением их основных аргументов и разногласий между ними:

Рут Кастнер (Комитет по истории и философии науки Мэрилендского университета в Колледж-Парке). Критика Кастнер, опубликованная в рецензируемом журнале, строится на мысленном эксперименте и применении к нему логики Афшара для выявления её ошибочности. Она предлагает считать эксперимент Афшара эквивалентным подготовке электрона в состоянии со спином «вверх» и последующему измерению его бокового спина. Это не означает, что были одновременно обнаружены состояния спина «вверх-вниз» и бокового спина для какого-либо электрона. Применительно к эксперименту Афшара: «Тем не менее, даже при убранной сетке, поскольку фотон подготовлен в состоянии суперпозиции, измерение на конечном экране в момент времени на самом деле никогда не является измерением пути, так как оно не может сказать нам через какое отверстие фотон прошел на самом деле». Даниэль Райцнер (Исследовательский центр квантовой информации Института физики Словацкой академии наук, Братислава, Словакия). Райцнер провёл численное моделирование схемы Афшара и получил те же результаты, что и Афшар в эксперименте. На этом основании он утверждает, что фотоны демонстрируют волновое поведение, включая высокую видимость полос, но не дают информации о пути до момента попадания на детектор: «Иными словами, распределение с двумя пиками представляет собой интерференционную картину, и фотон ведет себя как волна и не проявляет корпускулярных свойств, пока не попадёт на пластину. В результате информация о пути никогда не может быть получена таким способом». У. Г. Унру (профессор физики Университета Британской Колумбии). Унру, как и Кастнер, строит свою аргументацию на основе эквивалентной, но более простой схемы. Величина эффекта в ней больше, благодаря чему легче заметить ошибку в логике. По мнению Унру, эта ошибка при наличии препятствия в местах тёмных полос заключается в «выводе о том, что ЕСЛИ частица была зарегистрирована в детекторе 1, ТО она должна была прийти из пути 1. Аналогично, ЕСЛИ она была зарегистрирована в детекторе 2, то она пришла из пути 2». Другими словами, он признает существование интерференционной картины, но отвергает наличие информации о пути. Лубош Мотль (бывший ассистент-профессор физики Гарвардского университета). Критика Мотля, опубликованная в его блоге, основана на анализе реальной схемы Афшара, в отличие от предложений других экспериментов Унру и Кастнер. В противовес Унру и Кастнер, он полагает, что информация о пути присутствует всегда, но утверждает, что измеренный контраст интерференционной картины на самом деле крайне низок: «Поскольку этот сигнал (возмущение) от второго, среднего рисунка мал (соответственно, он влияет лишь на очень малую часть фотонов), контраст также очень мал и стремится к нулю для бесконечно тонких проволок». Он также доказывает, что эксперимент можно понять с помощью классической электродинамики и он «не имеет ничего общего с квантовой механикой». Оле Стейрнагель (Школа физики, астрономии и математики Хартфордширского университета, Великобритания). Стейрнагель проводит количественный анализ различных проходящих, преломлённых и отражённых волн в установке, которая лишь незначительно отличается от схемы Афшара. Он приходит к выводу, что соотношение двойственности Энглерта — Гринбергера строго выполняется, и, в частности, видимость полос для тонких проволок мала. Как и некоторые другие критики, он подчёркивает, что вывод о наличии интерференционной картины логическим путём не тождественен её непосредственному измерению: «Наконец, самым слабым местом в анализе Афшара является умозаключение о том, что интерференционная картина обязательно должна присутствовать». Эндрю Найт (физический факультет Нью-Йоркского университета). Утверждает, что заявление Афшара о нарушении принципа дополнительности содержит простое логическое противоречие: настраивая эксперимент так, чтобы фотоны были пространственно когерентны по ширине двух отверстий, экспериментаторы тем самым делают эти отверстия принципиально неразличимыми для данных фотонов. «Иными словами, Афшар и соавторы на одном дыхании утверждают, что настроили эксперимент так, чтобы отверстия A и B были принципиально неразличимы для определенных фотонов [в частности, фотонов, созданных пространственно когерентными по ширине, охватываемой отверстиями, и потому неспособных их различать], а на другом дыхании — что они различили отверстия A и B с помощью этих же самых фотонов».

Поддержка Соавторы Афшара Эдуардо Флорес и Эрнст Кнёзель выступили с критикой схемы Кастнер и предложили альтернативную экспериментальную установку. Убрав линзу Афшара и заставив два пучка перекрываться под небольшим углом, Флорес и соавторы стремились показать, что закон сохранения импульса гарантирует сохранение информации о пути при обоих открытых отверстиях. Однако этот эксперимент все ещё сталкивается с возражением Мотля о том, что два пучка имеют субмикроскопическую дифракционную картину, создаваемую сведением пучков перед щелями. Результатом в данном случае было бы измерение того, какая щель была открыта до того, как пучки вообще достигли проволок.

Джон Г. Крамер использует интерпретацию эксперимента Афшара для поддержки своей транзакционной интерпретации квантовой механики в противовес копенгагенской и многомировой интерпретациям .

Примечания

Ссылки S. S. Afshar, E. Flores, K.F. McDonald, E. Knoesel, Paradox in wave-particle duality, Foundations of Physics 37 (2), 2007, pp. 295—305. doi:10.1007/s10701-006-9102-8. У. Унру, Шахрияр Афшар — квантовый бунтарь?

Категория:Физические эксперименты Категория:Квантовые измерения Категория:Философия физики Категория:2004 год в науке