Група експериментаторів, очолювана відомим фізиком Робертом Бойдом (який, зокрема, був першим, хто здійснив «уповільнення світла» при кімнатній температурі), придумала і реалізувала схему, яка демонструє внесок так званих «некласичних» траєкторій в картину, що отримується при інтерференції фотонів на трьох щілинах.
Інтерференція на двох щілинах - це класичний експеримент, що демонструє хвильові властивості світла. Вперше він був здійснений на самому початку XIX століття Томасом Юнгом, і став однією з головних причин відмови від домінуючої тоді нової теорії світла.
Типова інтерференційна картина, що отримується в досвіді Юнга.
На початку XX століття, однак, було з'ясовано, що світло все ж складається з частинок, які отримали назву фотонів, але ці частинки загадковим чином мають і хвильовими властивостями. Виникла концепція корпускулярно-хвильового дуалізму, яка була поширена також і на частинки матерії. Зокрема, наявність хвильових властивостей було виявлено у електронів, а пізніше і у атомів і молекул.
У новому розділі фізики, що виник в результаті, - квантової механіки - виникнення інтерферометричної картини в експерименті з двома щілинами грає одну з центральних ролей. Так, Річард Фейнман у своїх «Фейнмановских лекціях з фізики» пише, що це явище, «яке неможливо, абсолютно, абсолютно неможливо пояснити класичним чином. У цьому явищі таїться сама суть квантової механіки. »
Експеримент з двома щілинами демонструє одне з центральних понять квантової фізики - квантову суперпозицію. Принцип квантової суперпозиції стверджує, що якщо якийсь квантовий об'єкт (наприклад, фотон або електрон) може перебувати в якомусь стані 1 і в якомусь стані 2, то він може перебувати і в стані, яке є в деякому сенсі частково і станом 1, і станом 2 , цей стан і називається суперпозицією станів 1 і 2. у випадку з щілинами частка може пройти через одну щілину, а може через іншу, але якщо обидві щілини відкриті, то частка проходить через обидві і виявляється в стані суперпозиції «частинки, що пройшла через щілину 1 »і« част ци, що пройшла через щілину 2 ».
Без сумнівів, найвідомішим об'єктом, що знаходиться в стані квантової суперпозиції, є кіт Шредінгера, який і живий, і мертвий одночасно.
Вплив однієї щілини на іншу на квантовому мовою простіше пояснювати через одне з альтернативних описів квантової фізики, розроблене все тим же Річардом Фейнманом. Згідно з його підходу, відомому як інтеграли по траєкторіям, при переміщенні частинки з однієї точки в іншу, вона проходить відразу по всіх можливих траєкторіях, що з'єднує ці точки, але кожна траєкторія має свій «вага». Найбільший внесок дають траєкторії, близькі до тих, які передбачає класична фізика, - саме тому квантові закони в межі зводяться до класичних. Але і інші траєкторії теж важливі.
«Класичні» траєкторії в експерименті з двома щілинами.
Серед цих траєкторій можуть бути і такі, які зовсім неможливі класично. Вони, скажімо, можуть містити ділянки, на яких частка рухається в протилежний бік. У разі експерименту з щілинами це, наприклад, траєкторії, які спочатку входять в одну щілину, потім проходять через іншу, а потім виходять через третю. Саме такі дивні траєкторії і пояснюють вплив однієї щілини на іншу, тому що тільки вони відсутні, коли одна з щілин закрита.
Приклад «некласичної» траєкторії (фіолетова) в експерименті з трьома щілинами.
Щоб довести наявність «некласичних» траєкторій, Роберт Бойд з колегами запропонували посилити їх вплив за рахунок збудження так званих приповерхневих плазмонів. Плазмони - це зв'язаний стан фотона і електрона в металі. За рахунок них світло виявляється як би прив'язаним до поверхні металу і може ефективно поширюватися уздовж неї на відносно великі відстані. Існування плазмонів збільшує вплив однієї щілини на іншу, і відповідно, «вага» траєкторій, що йдуть від однієї щілини до іншої.
В експерименті Бойда щілини були вирізані пучком іонів в шарі золота, напиляним на прозоре скло. Оскільки золото хороший провідник, то в ньому легко збуджуються плазмони.
Щоб спостерігати вплив щілин один на одного, експериментатори запропонували провести наступний досвід. По-перше, використовувався джерело світла, ширина променя якого менше відстані між щілинами. Їм висвітлювалася тільки одна щілина. При цьому, згідно з наївним уявленням, картина на екрані не повинна залежати від того, є інші щілини, крім освітлюється, чи ні - адже ці щілини знаходяться в тіні. І дійсно, коли використовувався світло з такою поляризацією, що плазмони збудитися не могли, на екрані спостерігалася невелика освітлена смужка навпаки освітленій щілини. Але коли поляризацію міняли, і плазмони наічналі збуджуватися ефективно, на екрані виникала характерна інтерференційна картина. Це і доводить існування «некласичних» траєкторій.
Порівняння картини, одержуваної на екрані в разі, коли плазмони не порушуються (зліва) і коли вони порушуються (праворуч).