Znanstvenici to bezuspješno pokušavaju napraviti još od vremena Alberta Einsteina koji je 1905. objavio rad o tzv. fotoelektričnom efektu u kojem svjetlost izbija elektrone iz metalne ploče. Neobičan efekt genijalni je fizičar objasnio idejom da svjetlost, koja se tada smatrala valom, može djelovati kao čestica nazvana foton. Za to je 1922. dobio Nobelovu nagradu.

Prema kvantnoj mehanici svjetlost se istovremeno može ponašati i kao val i kao čestica. Ovo ne vrijedi samo za česticu svjetlosti – foton, već i za elementarne čestice poput elektrona ili čak za prilično masivne protone koji su sastavljeni od više elementarnih čestica.

Ipak u svim dosadašnjim eksperimentima uvijek se manifestirala samo jedna od priroda svjetlosti. Ponekad bi ona pokazala svoja svojstva vala, a ponekad čestice, ali nikada do sada oba.

No stručnjaci s École polytechnique fédérale de Lausanne došli su na genijalnu ideju i osmislili radikalno drugačiji eksperimentalni pristup.

Njihov senzacionalan rezultat predstavljen je u novom broju časopisa Nature Communications.

U čemu je trik?

U svojem eksperimentu švicarski znanstvenici pod vodstvom Fabrizia Carbonea usmjerili su puls laserskog svjetla prema malenoj metalnoj nanožici. Laser je dodavao energiju nabijenim česticama u nanožici i tako je potaknuo da počne vibrirati. Svjetlost kroz nanožicu putuje u samo dva moguća pravca – od jednog kraja prema drugom i obratno. Kada valovi putuju u suprotnim pravcima, oni djeluju jedan na drugoga i stvaraju tzv. stojni val koji izgleda kao val koji stoji na mjestu, koji se ne kreće ni naprijed niti nazad. Ponekad se takvi valovi mogu vidjeti uz obale kada se susretnu valovi koji idu prema obali i oni koji se odbijaju od nje. U švicarskom eksperimentu stojni je val postao izvorom svjetlosti koja je zračila iz žice.

Sada slijedi poseban trik u eksperimentu! Znanstvenici su žicu u kojoj je bio zarobljen stojni val zasuli mlazom elektrona kako bi napravili snimku stojnog vala. Kako su elektroni ulazili u interakcije sa svjetlom u nanožici val ih je ubrzavao ili usporavao, ovisno o tome u koji dio vala su udarili. Pomoću ultrabrzog mikroskopa tim je uspio snimiti položaje na kojima je došlo do promjene u brzini elektrona. Na taj način dobili su snimku oblika stojnog vala.

Fotografija je potvrdila valnu prirodu svjetlosti, međutim istovremeno je demonstrirala i njegovu prirodu kao čestice. Kako? Dok su elektroni prolazili pored stojnog vala u nanožici, udarali su u čestice svjetlosti, odnosno u fotone. Ovi sudari jasna su potvrda da se svjetlost u nanožici ponaša kao čestica (pogledajte animaciju u video zapisu).

'Ovaj eksperiment je po prvi put pokazao da možemo izravno snimiti kvantnu mehaniku i njezinu paradoksalnu prirodu', rekao je Carbone.

Švicarski fizičar kaže da bi ovaj eksperiment u budućnosti mogao naći i praktičnu primjenu.

'Mogućnost da snimimo i kontroliramo kvantnu pojavu na nanometarskim skalama poput ove otvara nova vrata za kvantno računanje', objasnio je.