Электрон таки ведет себя как частица и волна

Точная методология известного фейнмановского мысленного эксперимента с двойной щелью – краеугольного камня квантовой механики, – который показал, что электрон ведет себя как частица и волна, впервые была строго выдержана.

Хотя с тех пор, когда Ричард Фейнман популяризовал свою идею в 1965 г., корпускулярно-волновые свойства электронов продемонстрированы многочисленными способами, ни один из экспериментов не повторял строго методологию, описанную в III томе известных «Фейнмановских лекций по физике».

«Технология проведения этого эксперимента приблизительно соблюдалась около двух десятилетий. Однако чтобы получить хорошие результаты, нам понадобилось сделать несколько попыток, которые заняли три года, - сказал первый автор статьи проф. Герман Бейтлаан (Herman Batelaan) из Университета Линкольна в Небраске. – Предыдущие эксперименты с двойной щелью успешно демонстрировали загадочные свойства электрона, но ни один из них не использовал фейнмановскую методологию, специфически открывающую и закрывающую обе щели по усмотрению и способную детектировать электроны по одному каждый раз. Эксперимент Акиры Тономуры (Akira Tonomura) использовал тонкую заряженную проволоку, чтобы "расщепить" электроны и соединить их вместе обратно, взамен двух щелей в пластинке, которые предложил Фейнман. Насколько мне известно, эксперименты Джулио Поззи (Guilio Pozzi) были первыми, в которых использовались наномасштабные щели в пластине. Однако щели были покрыты заполняющим материалом, так что не могли открываться и закрываться автоматически».

В своем эксперименте проф. Бейтлаан с коллегами создали современное представление фейнмановского эксперимента, направляя пучок электронов, выстреливаемых по одному, на пластину, сделанную из кремниевой мембраны, покрытой золотом.

Пластина имела две щели шириной 62 нм с расстоянием между центрами 272 нм. Позади пластины была помещена подвижная маска шириной 4,5 мкм и высотой 10 мкм, управляемая пьезоэлектрическим приводом, которая скользила в двух направлениях, чтобы покрыть щели.

«Мы провели эксперимент, в котором обе щели могли механически открываться и закрываться по желанию и, что более важно, соединить это с возможностью определять один электрон за один раз. Все было сделано точно в соответствии с мысленным экспериментом Фейнмана, и это проиллюстрировало главную особенность квантовой механики», - сказал проф. Байтлаан.

В мысленном эксперименте Фейнмана специфическая материальная сущность случайно направлялась на пластину, в которой имелись маленькие щели, открывающиеся и закрывающиеся по усмотрению. Некоторые порции будут блокироваться, а некоторые будут проходить через щели в зависимости от того, открыты они или закрыты. Основываясь на картине, которая получается на экране позади пластины, можно определить, ведет ли себя проходящий через щели материал как волна или как частица.

Если через две открытые щели проходят частицы, вероятнее всего они будут попадать в одну определенную область экрана, тогда как волны будут интерферировать, создавая хорошо известную картину.

В 1965 г. Фейнман распространил суждение, что электрон, исторически мыслившийся как частица, в действительности будет создавать интерференционную картину в эксперименте с двумя щелями. Фейнман подчеркивал, что если даже электроны будут проходить через щели по одному за раз, интерференционная картина сохранится. Он продолжил, что это явление «составляет основу квантовой физики, но, по сути, оно представляет только загадку».

Художественная абстракция