Eksperyment podwójnego szczelinowania Thomasa Younga

Przez cały XIX wiek fizycy byli zgodni co do tego, że światło zachowuje się jak fala, w dużej mierze dzięki słynnemu eksperymentowi z podwójną szczeliną przeprowadzonym przez Thomasa Younga. Na podstawie spostrzeżeń z eksperymentu i pokazanych właściwości fali stulecie fizyków szukało medium, przez które falowało światło, świetlisty eter. Chociaż eksperyment jest najbardziej widoczny ze światłem, faktem jest, że tego rodzaju eksperyment można przeprowadzić z dowolnym rodzajem fali, np. Z wodą. Na razie jednak skupimy się na zachowaniu światła.

Na początku XIX wieku (1801–1805, w zależności od źródła) Thomas Young przeprowadził eksperyment. Pozwolił, aby światło przechodziło przez szczelinę w szlabanie, więc rozszerzyło się na frontach fal z tej szczeliny jako źródło światła (pod Zasada Huygensa). To światło z kolei przechodziło przez parę szczelin w innej barierze (ostrożnie umieszczonych w odpowiedniej odległości od oryginalnej szczeliny). Każda szczelina z kolei dyfrakowała światło tak, jakby były również indywidualnymi źródłami światła. Światło uderzyło w ekran obserwacyjny. Pokazano to po prawej stronie.

Gdy jedna szczelina była otwarta, po prostu oddziaływała na ekran obserwacyjny z większą intensywnością w środku, a następnie zanikała, gdy odsuwałeś się od centrum. Istnieją dwa możliwe wyniki tego eksperymentu:

Interpretacja cząstek: Jeśli światło istnieje jako cząstki, intensywność obu szczelin będzie sumą intensywności z poszczególnych szczelin.

Interpretacja fali: Jeśli światło istnieje jako fale, fale świetlne będą miały ingerencja na zasadzie superpozycji, tworząc pasma światła (zakłócenia konstrukcyjne) i ciemności (zakłócenia niszczące).

Podczas przeprowadzania eksperymentu fale świetlne rzeczywiście wykazywały te wzorce interferencji. Trzeci obraz, który można wyświetlić, to wykres natężenia pod względem pozycji, który jest zgodny z przewidywaniami wynikającymi z interferencji.

Wówczas wydawało się to jednoznacznie dowodzić, że światło porusza się falami, powodując rewitalizację falowej teorii światła Hugena, która zawiera niewidzialne medium, eter, przez które rozchodziły się fale. Kilka eksperymentów w całym 1800 roku, w szczególności słynny Eksperyment Michelsona-Morleya, próbował bezpośrednio wykryć eter lub jego skutki.

Wszystkie zawiodły, a sto lat później praca Einsteina w efekt fotoelektryczny a względność spowodowała, że ​​eter nie był już potrzebny do wyjaśnienia zachowania światła. Znów dominowała teoria światła cząstek.

Mimo to, kiedyś foton powstała teoria światła, mówiąca, że ​​światło porusza się tylko w dyskretnych kwantach, pojawiło się pytanie, w jaki sposób te wyniki były możliwe. Przez lata fizycy przeprowadzali ten podstawowy eksperyment i badali go na wiele sposobów.

Na początku XX wieku pozostawało pytanie, w jaki sposób światło - które teraz rozpoznawano jako podróżujące w podobnych do cząstek „wiązkach” skwantowana energia, zwana fotonami, dzięki wyjaśnieniu Einsteina efektu fotoelektrycznego - może również wykazywać zachowanie falowy. Z pewnością wiązka atomów wody (cząsteczek) podczas działania razem tworzy fale. Może to było coś podobnego.

Możliwe stało się ustawienie źródła światła tak, aby emitowało jeden foton na raz. To byłoby dosłownie jak rzucanie mikroskopijnych łożysk kulkowych przez szczeliny. Ustawiając ekran wystarczająco czuły, aby wykryć pojedynczy foton, można ustalić, czy w tym przypadku występują wzorce interferencyjne.

Jednym ze sposobów na to jest skonfigurowanie czułego filmu i przeprowadzenie eksperymentu przez pewien czas, a następnie spojrzenie na film, aby zobaczyć, jaki jest wzór światła na ekranie. Właśnie taki eksperyment został przeprowadzony i faktycznie identycznie pasował do wersji Younga - na przemian jasne i ciemne pasma, pozornie wynikające z interferencji fal.

Wynik ten zarówno potwierdza, jak i oszałamia teorię fal. W takim przypadku fotony są emitowane indywidualnie. Dosłownie nie ma miejsca na interferencję fal, ponieważ każdy foton może przejść tylko przez jedną szczelinę na raz. Ale obserwuje się interferencję fal. Jak to jest możliwe? Próba odpowiedzi na to pytanie zrodziła wiele intrygujących interpretacji Fizyka kwantowa, od interpretacji kopenhaskiej do interpretacji wielu światów.

Załóżmy teraz, że przeprowadzasz ten sam eksperyment, z jedną zmianą. Umieszczasz detektor, który może stwierdzić, czy foton przechodzi przez daną szczelinę. Jeśli wiemy, że foton przechodzi przez jedną szczelinę, to nie może przejść przez drugą szczelinę, aby ingerować w siebie.

Okazuje się, że po dodaniu detektora pasma znikają. Wykonujesz dokładnie ten sam eksperyment, ale dodajesz prosty pomiar na wcześniejszej fazie, a wynik eksperymentu zmienia się drastycznie.

Coś w akcie pomiaru, która szczelina jest używana, całkowicie usunęło element falowy. W tym momencie fotony działały dokładnie tak, jak się spodziewalibyśmy cząstki. Bardzo niepewna pozycja jest w jakiś sposób związana z manifestacją efektów falowych.

Przez lata eksperyment prowadzono na wiele różnych sposobów. W 1961 roku Claus Jonsson przeprowadził eksperyment z elektronami i był on zgodny z zachowaniem Younga, tworząc wzory interferencyjne na ekranie obserwacyjnym. Wersja eksperymentu Jonssona została ogłoszona przez „najpiękniejszym eksperymentem” Świat Fizyki czytelnicy w 2002 roku.

W 1974 r. Technologia stała się w stanie przeprowadzić eksperyment, uwalniając pojedynczy elektron na raz. Znów pojawiły się wzorce interferencji. Ale kiedy detektor zostanie umieszczony w szczelinie, zakłócenia ponownie znikną. Eksperyment został ponownie przeprowadzony w 1989 r. Przez japoński zespół, który był w stanie użyć znacznie bardziej wyrafinowanego sprzętu.

Eksperyment przeprowadzono z fotonami, elektronami i atomami i za każdym razem ten sam wynik staje się oczywiste - coś o pomiarze położenia cząstki na szczelinie usuwa falę zachowanie. Istnieje wiele teorii wyjaśniających dlaczego, ale jak dotąd większość z nich jest przypuszczeniem.