Youngov eksperiment z dvojno režo

Izvirni poskus

Jonasl/Wikimedia Commons/CC BY

Skozi devetnajsto stoletje so bili fiziki soglasni, da se svetloba obnaša kot val, v veliki meri zahvaljujoč znamenitemu poskusu z dvojno režo, ki ga je izvedel Thomas Young. Na podlagi spoznanj iz eksperimenta in valovnih lastnosti, ki jih je pokazal, je stoletje fizikov iskalo medij, skozi katerega valuje svetloba, svetleči eter . Čeprav je poskus najbolj opazen s svetlobo, je dejstvo, da je to vrsto poskusa mogoče izvesti s katero koli vrsto valov, kot je voda. Zaenkrat pa se bomo osredotočili na obnašanje svetlobe.

Kakšen je bil poskus?

V zgodnjih 1800-ih (1801 do 1805, odvisno od vira) je Thomas Young izvedel svoj poskus. Dovolil je, da je svetloba prešla skozi režo v pregradi, tako da se je razširila v valovnih frontah iz te reže kot vira svetlobe (pod Huygensovo načelo ). Ta svetloba je nato prešla skozi par rež v drugi pregradi (previdno nameščeni na pravi razdalji od prvotne reže). Vsaka reža je po vrsti odbijala svetlobo, kot da bi bili tudi posamezni viri svetlobe. Svetloba je udarila v opazovalni zaslon. To je prikazano na desni.

Ko je bila ena sama reža odprta, je zgolj z večjo intenzivnostjo vplivala na zaslon za opazovanje v sredini in nato zbledela, ko ste se oddaljevali od središča. Obstajata dva možna rezultata tega poskusa:

Razlaga delcev: Če svetloba obstaja kot delci, bo intenziteta obeh rež vsota intenzivnosti posameznih rež.

Razlaga valov: Če svetloba obstaja kot valovanje, bodo imeli svetlobni valovi interferenca po principu superpozicije , ki ustvarja pasove svetle (konstruktivna interferenca) in temne (destruktivna interferenca).

Ko je bil poskus izveden, so svetlobni valovi res pokazali te interferenčne vzorce. Tretja slika, ki si jo lahko ogledate, je graf intenzivnosti glede na položaj, ki se ujema z napovedmi zaradi motenj.

Vpliv Youngovega eksperimenta

Takrat se je zdelo, da to dokončno dokazuje, da svetloba potuje v valovih, kar je povzročilo oživitev Huygenove valovne teorije svetlobe, ki je vključevala nevidni medij, eter , skozi katerega so se širili valovi. Več poskusov v 19. stoletju, predvsem slavni Michelson-Morleyjev eksperiment , je poskušal neposredno zaznati eter ali njegove učinke.

Vse so spodletele in stoletje kasneje je Einsteinovo delo v fotoelektrični učinek in relativnost je povzročila, da eter ni več potreben za razlago obnašanja svetlobe. Spet je prevladala teorija delcev o svetlobi.

Razširitev eksperimenta z dvojno režo

Kljub temu enkrat foton pojavila teorija svetlobe, ki pravi, da se svetloba giblje le v diskretnih kvantih, je postalo vprašanje, kako so bili ti rezultati mogoči. Skozi leta so fiziki vzeli ta osnovni poskus in ga raziskovali na več načinov.

V zgodnjih 1900-ih je ostalo vprašanje, kako lahko svetloba – za katero je bilo zdaj znano, da potuje v delcev podobnih 'svežnjih' kvantizirane energije, imenovanih fotoni, zahvaljujoč Einsteinovi razlagi fotoelektričnega učinka – prav tako kaže obnašanje valov. Vsekakor kup atomov (delcev) vode, ko delujejo skupaj, tvori valove. Mogoče je bilo to nekaj podobnega.

En foton naenkrat

Postalo je mogoče imeti vir svetlobe, ki je bil nastavljen tako, da oddaja en foton naenkrat. To bi bilo dobesedno tako, kot da bi skozi reže vrgli mikroskopske kroglične ležaje. Z nastavitvijo zaslona, ​​ki je bil dovolj občutljiv za zaznavanje posameznega fotona, bi lahko ugotovili, ali v tem primeru obstajajo interferenčni vzorci ali ne.

Eden od načinov za to je, da nastavite občutljiv film in izvedete poskus v določenem časovnem obdobju, nato pa pogledate film, da vidite, kakšen je vzorec svetlobe na zaslonu. Prav tak eksperiment je bil izveden in dejansko se je enako ujemal z Youngovo različico - izmenjujoči se svetli in temni pasovi, ki so na videz posledica interference valov.

Ta rezultat potrjuje in zmede teorijo valov. V tem primeru se fotoni oddajajo posamično. Dobesedno ni možnosti, da pride do interference valov, ker lahko vsak foton preide samo eno režo naenkrat. Toda motnje valov so opažene. Kako je to mogoče? No, poskus odgovora na to vprašanje je sprožil številne intrigantne interpretacije kvantna fizika , od köbenhavnske interpretacije do interpretacije mnogih svetov.

Postane še bolj čudno

Predpostavimo, da izvajate isti poskus z eno spremembo. Postavite detektor, ki lahko pove, ali gre foton skozi dano režo ali ne. Če vemo, da gre foton skozi eno režo, potem ne more skozi drugo režo, da bi se motil sam vase.

Izkazalo se je, da pasovi izginejo, ko dodate detektor. Izvedete popolnoma enak poskus, vendar dodate preprosto meritev v zgodnejši fazi in rezultat poskusa se drastično spremeni.

Nekaj ​​v zvezi z merjenjem uporabljene reže je popolnoma odstranilo valovni element. Na tej točki so fotoni delovali točno tako, kot bi pričakovali, da se bo delec obnašal. Sama negotovost v položaju je nekako povezana z manifestacijo valovnih učinkov.

Več delcev

Skozi leta je bil poskus izveden na več različnih načinov. Leta 1961 je Claus Jonsson izvedel poskus z elektroni, ki se je skladal z Youngovim vedenjem in ustvaril interferenčne vzorce na opazovalnem zaslonu. Jonssonova različica eksperimenta je bila izbrana za 'najlepši eksperiment'. Svet fizike bralcev leta 2002.

Leta 1974 je tehnologija postala sposobna izvesti poskus s sproščanjem enega elektrona naenkrat. Spet so se pokazali interferenčni vzorci. Ko pa na režo postavimo detektor, motnje spet izginejo. Poskus je leta 1989 ponovno izvedla japonska ekipa, ki je lahko uporabila veliko bolj izpopolnjeno opremo.

Poskus je bil izveden s fotoni, elektroni in atomi in vsakič, ko postane očiten isti rezultat - nekaj o merjenju položaja delca na reži odstrani vedenje valov. Obstaja veliko teorij, ki pojasnjujejo, zakaj, vendar je zaenkrat večina še vedno ugibanj.