W tym roku jeden z podstawowych założeń mechaniki kwantowej znalazł się pod znakiem zapytania po opublikowaniu kontrowersyjnej interpretacji klasycznego eksperymentu dotyczącego natury światła. Grupa badaczy przedstawiła model, który reinterpretując wynik doświadczenia z podwójną szczeliną, proponuje zrezygnowanie z opisu falowego światła na rzecz czysto kwantowego obrazu opartego na stanach fotonów.
Doświadczenie z podwójną szczeliną sięga pierwszych badań Thomasa Younga z 1801 roku i od dawna jest uważane za kluczowy dowód na falową naturę światła. W klasycznym ujęciu światło przechodzące przez dwie wąskie, sąsiednie szczeliny nakłada się na ekranie, tworząc charakterystyczny układ jasnych i ciemnych pasków — tzw. interferencję — jako skutek nakładania się fal. W fizyce kwantowej pojawia się jednak pojęcie dualizmu korpuskularno-falowego: obiekty kwantowe, w tym fotony, wykazują jednocześnie cechy cząstek i fal.
Grupa kierowana przez prof. Celso Villas-Boasa z Federal University of São Carlos w Brazylii zaproponowała na początku tego roku alternatywne wyjaśnienie tego zjawiska. W ich interpretacji nie ma potrzeby odwoływania się do części falowej; zamiast tego rolę wyjaśniającą przejmują tzw. ciemne stany fotonów — stany kwantowe, które nie oddziałują z detektorami i w związku z tym nie „świecą” na ekranie. Praca zespołu szybko przyciągnęła uwagę środowiska naukowego, została szeroko cytowana, a relacje o niej obejrzały setki tysięcy osób w mediach społecznościowych — jeden film na YouTube przekroczył 700 000 wyświetleń. Autorzy otrzymali także zaproszenia na wykłady w Japonii, Hiszpanii i Brazylii.
Opis klasycznego układu jest prosty: źródło światła emituje promieniowanie, które przechodzi przez barierę z dwoma szczelinami i pada na ekran, tworząc pasma interferencyjne. W proponowanym modelu to nie nakładające się fale powodują widoczne wzory, lecz kombinacja „jasnych” stanów fotonów, które oddziałują z ekranem, oraz „ciemnych” stanów, które pozostają niewidoczne. Tam, gdzie przeważają ciemne stany, powstają ciemne pasma; tam, gdzie dominują stany jasne — pasma jasne. Dzięki temu zjawisko interpretuje się bez odwoływania do tradycyjnego obrazu falowego.
Ta zmiana paradygmatu wywołała mieszane reakcje w środowisku akademickim. Część wykładowców i badaczy uznała propozycję za wstrząsającą — gdyż sprzeciwia się długo nauczanej, podstawowej interpretacji interferencji — inni przyjęli ją z ciekawością lub ostrożnym zainteresowaniem. Sam Villas-Boas kontynuuje badania rozszerzające konsekwencje nowej interpretacji i analizuje, jakie przewidywania z niej wynikają.
Jednym z dalszych wniosków zespołu jest to, że ciemne stany mogą występować również w promieniowaniu termicznym, takim jak światło ze Słońca czy gwiazd. Analizy matematyczne sugerują, że znacząca część energii takiego promieniowania może być „ukryta” w ciemnych stanach — czyli istnieć, lecz nie oddziaływać z obiektami. To zjawisko można by sprawdzić doświadczalnie, umieszczając pojedyncze atomy w precyzyjnie kontrolowanych wnękach optycznych (tzw. cavities), gdzie mierzalne są ich oddziaływania ze światłem.
Autorzy argumentują również, że odejście od obrazu falowego ułatwia zrozumienie zdarzeń, które wydawały się paradoksalne w dotychczasowym ujęciu: przykładowo interferencji fal, które nie nakładają się bezpośrednio, czy interferencji między falami mechanicznymi a elektromagnetycznymi. Ponadto odkrycia te otwierają potencjalne zastosowania technologiczne — od przełączników sterowanych światłem po urządzenia, które byłyby przeźroczyste jedynie dla określonych rodzajów promieniowania.
Według Villas-Boasa wszystkie te wyniki są spójne z fundamentalnym aspektem mechaniki kwantowej: nie można mówić o obiektach kwantowych bez uwzględnienia ich interakcji z detektorami i przyrządami pomiarowymi, a jednym z takich aspektów jest właśnie „ciemność” stanu. „To moim zdaniem nie jest nowość. To właśnie mówi nam mechanika kwantowa” — podkreśla naukowiec, zwracając uwagę, że propozycja jest innym sposobem interpretacji znanych zasad, z konsekwencjami możliwymi do weryfikacji doświadczalnie.