Youngo dvigubo plyšio eksperimentas

Originalus eksperimentas

Jonasl / Wikimedia Commons / CC BY

Visą XIX amžių fizikai buvo sutarę, kad šviesa elgiasi kaip banga, daugiausia dėl garsiojo Thomaso Youngo eksperimento su dvigubu plyšiu. Eksperimento įžvalgų ir jo parodytų bangų savybių skatinami šimtmetį fizikai ieškojo terpės, per kurią bangavo šviesa, šviečiantis eteris . Nors eksperimentas labiausiai pastebimas su šviesa, faktas yra tas, kad tokį eksperimentą galima atlikti su bet kokio tipo bangomis, pavyzdžiui, vandeniu. Tačiau šiuo metu mes sutelksime dėmesį į šviesos elgesį.

Koks buvo eksperimentas?

1800-ųjų pradžioje (1801–1805 m., priklausomai nuo šaltinio) Thomas Youngas atliko savo eksperimentą. Jis leido šviesai prasiskverbti pro barjero plyšį, kad ji išsiplėtė bangų frontais iš to plyšio kaip šviesos šaltinis (po Huygenso principas ). Ta šviesa savo ruožtu prasiskverbė pro plyšius kitoje užtvaroje (atsargiai padėta tinkamu atstumu nuo pradinio plyšio). Kiekvienas plyšys savo ruožtu išsklaidydavo šviesą taip, tarsi jie būtų ir atskiri šviesos šaltiniai. Šviesa paveikė stebėjimo ekraną. Tai rodoma dešinėje.

Kai buvo atidarytas vienas plyšys, jis tiesiog labiau paveikė stebėjimo ekraną centre, o tada išnyko, kai tolstate nuo centro. Galimi du šio eksperimento rezultatai:

Dalelių interpretacija: Jei šviesa egzistuoja kaip dalelės, abiejų plyšių intensyvumas bus atskirų plyšių intensyvumo suma.

Bangos interpretacija: Jei šviesa egzistuoja kaip bangos, šviesos bangos turės trukdžių pagal superpozicijos principą , sukuriant šviesos (konstruktyvūs trukdžiai) ir tamsos (destruktyvūs trukdžiai) juostas.

Kai buvo atliktas eksperimentas, šviesos bangos iš tikrųjų parodė šiuos trukdžių modelius. Trečias vaizdas, kurį galite peržiūrėti, yra intensyvumo pagal padėtį grafikas, atitinkantis trukdžių prognozes.

Youngo eksperimento poveikis

Tuo metu atrodė, kad tai įtikinamai įrodo, kad šviesa sklinda bangomis, sukeldama atgaivinimą Huygeno šviesos bangų teorijoje, kuri apėmė nematomą terpę. eteris , kuriuo sklinda bangos. Keli eksperimentai per 1800-uosius, ypač garsieji Michelson-Morley eksperimentas , bandė tiesiogiai aptikti eterį ar jo poveikį.

Jie visi žlugo ir po šimtmečio Einšteino darbas fotoelektrinis efektas o reliatyvumas lėmė tai, kad eteris nebebuvo būtinas šviesos elgesiui paaiškinti. Vėl dominuoja dalelių šviesos teorija.

Dvigubo plyšio eksperimento išplėtimas

Vis dėlto vieną kartą fotonas atsirado šviesos teorija, teigianti, kad šviesa juda tik atskirais kvantais, kilo klausimas, kaip šie rezultatai buvo įmanomi. Bėgant metams fizikai ėmėsi šio pagrindinio eksperimento ir ištyrė jį įvairiais būdais.

Dešimtojo dešimtmečio pradžioje išliko klausimas, kaip šviesa, kuri, Einšteino paaiškinus apie fotoelektrinį efektą, dabar buvo pripažinta keliaujanti į daleles panašiais kvantuotos energijos „ryšuliais“, vadinamais fotonais, taip pat gali parodyti bangų elgesį. Žinoma, krūva vandens atomų (dalelių), veikdami kartu, sudaro bangas. Galbūt tai buvo kažkas panašaus.

Vienas fotonas vienu metu

Atsirado galimybė turėti šviesos šaltinį, kuris buvo nustatytas taip, kad vienu metu skleistų vieną fotoną. Žodžiu, tai būtų tarsi mikroskopinių rutulinių guolių mėtymas per plyšius. Nustatę ekraną, kuris būtų pakankamai jautrus, kad aptiktų vieną fotoną, galėtumėte nustatyti, ar šiuo atveju buvo trikdžių, ar ne.

Vienas iš būdų tai padaryti – sukurti jautrią plėvelę ir atlikti eksperimentą tam tikrą laiką, tada pažiūrėti į filmą, kad pamatytumėte, koks yra šviesos raštas ekrane. Kaip tik toks eksperimentas buvo atliktas ir iš tikrųjų identiškai atitiko Youngo versiją – kintančias šviesias ir tamsias juostas, kurios, regis, atsirado dėl bangų trukdžių.

Šis rezultatas patvirtina ir glumina bangų teoriją. Šiuo atveju fotonai išspinduliuojami atskirai. Tiesiogine prasme bangų trukdžių nėra, nes kiekvienas fotonas vienu metu gali praeiti tik per vieną plyšį. Tačiau bangos trukdžiai pastebimi. Kaip tai įmanoma? Na, o bandymas atsakyti į šį klausimą sukėlė daug intriguojančių interpretacijų Kvantinė fizika , nuo Kopenhagos interpretacijos iki daugelio pasaulių interpretacijos.

Dar keisčiau

Dabar tarkime, kad atliekate tą patį eksperimentą su vienu pakeitimu. Įdedate detektorių, kuris gali pasakyti, ar fotonas praeina per tam tikrą plyšį. Jei žinome, kad fotonas praeina per vieną plyšį, tada jis negali praeiti pro kitą plyšį, kad trukdytų sau.

Pasirodo, kad pridėjus detektorių juostos išnyksta. Atliekate lygiai tą patį eksperimentą, bet tik pridedate paprastą matavimą ankstesnėje fazėje, o eksperimento rezultatas drastiškai pasikeičia.

Kažkas dėl matavimo, kuris plyšys naudojamas, visiškai pašalino bangos elementą. Šiuo metu fotonai veikė tiksliai taip, kaip tikėjomės dalelės. Pati padėties neapibrėžtumas kažkaip susijęs su bangų poveikio pasireiškimu.

Daugiau dalelių

Per daugelį metų eksperimentas buvo atliktas įvairiais būdais. 1961 m. Clausas Jonssonas atliko eksperimentą su elektronais ir jis atitiko Youngo elgesį, stebėjimo ekrane sukurdamas trukdžių modelius. Jonssono eksperimento versija buvo išrinkta „gražiausiu eksperimentu“. Fizikos pasaulis skaitytojų 2002 m.

1974 m. technologija tapo pajėgi atlikti eksperimentą, vienu metu išleidžiant vieną elektroną. Vėl pasirodė trukdžių modeliai. Bet kai prie plyšio pastatomas detektorius, trukdžiai vėl išnyksta. Eksperimentą 1989 metais vėl atliko japonų komanda, kuri sugebėjo naudoti daug tobulesnę įrangą.

Eksperimentas buvo atliktas su fotonais, elektronais ir atomais, ir kiekvieną kartą tampa akivaizdus tas pats rezultatas – kažkas apie dalelės padėties plyšyje matavimą pašalina bangos elgesį. Egzistuoja daugybė teorijų, paaiškinančių kodėl, tačiau iki šiol daugelis jų tebėra spėlionės.