Experiment dvojitého štrbiny Thomasa Younga

Počas devätnásteho storočia mali fyzici konsenzus, že svetlo sa správalo ako vlna, z veľkej časti vďaka slávnemu experimentu s dvojitou štrbinou, ktorý uskutočnil Thomas Young. Na základe poznatkov z experimentu a vlastností vlny, ktoré preukázali, storočie fyzikov hľadalo médium, cez ktoré mávalo svetlo. svetelný éter. Hoci experiment je najpozoruhodnejší so svetlom, faktom je, že tento druh experimentu je možné uskutočniť s akýmkoľvek typom vlny, napríklad s vodou. Momentálne sa však zameriame na správanie svetla.

Začiatkom 18. storočia (v závislosti od zdroja) od 1801 do 1805 Thomas Thomas uskutočnil svoj experiment. Nechal svetlo prechádzať štrbinou v bariére, takže sa šíril vo vlnových čelách z tejto štrbiny ako zdroj svetla (pod Huygensov princíp). Toto svetlo zasa prešlo cez dvojicu štrbín v inej bariére (opatrne umiestnenej v správnej vzdialenosti od pôvodnej štrbiny). Každá štrbina zase rozptyľovala svetlo, akoby išlo o jednotlivé zdroje svetla. Svetlo dopadlo na obrazovku pozorovania. Toto je zobrazené napravo.

Keď bola otvorená jediná štrbina, iba zasiahla pozorovaciu obrazovku s väčšou intenzitou v strede a potom vybledla, keď ste sa vzdialili od stredu. Tento experiment má dva možné výsledky:

Interpretácia častíc: Ak existuje svetlo ako častice, intenzita oboch štrbín bude súčtom intenzity jednotlivých štrbín.

Vlnová interpretácia: Ak existuje svetlo ako vlny, budú mať svetelné vlny zasahovanie podľa princípu superpozície, vytváranie pásov svetla (konštruktívne rušenie) a tmy (deštruktívne rušenie).

Keď sa experiment uskutočňoval, svetelné vlny skutočne vykazovali tieto interferenčné vzory. Tretí obrázok, ktorý si môžete prezrieť, je graf intenzity z hľadiska polohy, ktorý sa zhoduje s predpoveďami rušenia.

V tom čase sa zdalo, že to presvedčivo dokazuje, že svetlo prešlo vlnami, čo spôsobilo revitalizáciu Huygenovej teórie vĺn svetla, ktorá obsahovala neviditeľné médium, éter, prostredníctvom ktorého sa vlny šírili. Niekoľko experimentov v 18. storočí, najmä slávny Michelson-Morleyov experiment, sa pokúsil priamo zistiť éter alebo jeho účinky.

Všetci zlyhali a o storočie neskôr, práca Einsteina v fotoelektrický efekt a relativita viedla k tomu, že éter už nie je potrebný na vysvetlenie správania svetla. Opäť dominovala časticová teória svetla.

Stále, raz fotón vznikla teória svetla, ktorá hovorila, že svetlo sa pohybovalo iba v diskrétnej kvante, otázka sa stala možným. V priebehu rokov fyzici tento základný experiment absolvovali a preskúmali ho mnohými spôsobmi.

Začiatkom 20. storočia zostala otázka, ako ľahké - ktoré sa teraz uznalo za cestovanie v časticových zväzkoch podobných časticiam Kvantizovaná energia, nazývaná fotóny, vďaka Einsteinovmu vysvetleniu fotoelektrického efektu - mohla tiež prejaviť správanie vln. Zväzok atómov vody (častíc), keď spolu pôsobia, vytvára vlny. Možno to bolo niečo podobné.

Bolo možné mať svetelný zdroj, ktorý bol nastavený tak, aby emitoval naraz jeden fotón. Doslova by to bolo ako vrhať mikroskopické guľôčkové ložiská cez štrbiny. Nastavením obrazovky, ktorá je dostatočne citlivá na detekciu jedného fotónu, môžete zistiť, či v tomto prípade existovali alebo neboli interferenčné vzory.

Jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, je nastavenie citlivého filmu a spustenie experimentu v určitom časovom období, potom sa pozrite na film a zistite, aký je vzor svetla na obrazovke. Uskutočnil sa len taký experiment a v skutočnosti sa zhodoval Youngov model s premenlivými svetlými a tmavými pásmami, ktoré boli zdanlivo spôsobené vlnovým rušením.

Tento výsledok potvrdzuje a zviditeľňuje vlnovú teóriu. V tomto prípade sú fotóny emitované jednotlivo. Doslovné rušenie vlnami neexistuje, pretože každý fotón môže naraz prechádzať iba jednou štrbinou. Pozoruje sa však vlnové rušenie. Ako je to možné? Pokus o zodpovedanie tejto otázky priniesol mnoho zaujímavých interpretácií kvantová fyzika, od kodanskej interpretácie po interpretáciu mnohých svetov.

Teraz predpokladajme, že vykonávate rovnaký experiment s jednou zmenou. Umiestnite detektor, ktorý dokáže zistiť, či fotón prechádza danou štrbinou. Ak vieme, že fotón prechádza jednou štrbinou, potom nemôže prejsť druhou štrbinou, aby interferoval so sebou samým.

Ukázalo sa, že keď pridáte detektor, prúžky zmiznú. Vykonáte presne ten istý experiment, ale pridáte iba jednoduché meranie v skoršej fáze a výsledok experimentu sa drasticky zmení.

Niečo o meraní toho, ktorá štrbina sa používa, úplne odstránilo vlnový prvok. V tomto okamihu sa fotóny správali presne tak, ako by sme očakávali, že sa častica bude správať. Veľmi neistota v polohe súvisí nejako s prejavom vlnových efektov.

V priebehu rokov sa experiment uskutočňoval mnohými rôznymi spôsobmi. V roku 1961 Claus Jonsson uskutočnil experiment s elektrónmi a prispôsobil sa Youngovmu správaniu, pričom na pozorovacej obrazovke vytvoril interferenčné vzory. Jonssonovu verziu experimentu odhlasoval za „najkrajší experiment“ Svet fyziky čitatelia v roku 2002.

V roku 1974 bola technológia schopná vykonať experiment uvoľnením jedného elektrónu naraz. Opäť sa ukázali interferenčné vzorce. Keď je však na štrbine umiestnený detektor, interferencia opäť zmizne. Experiment bol opäť vykonaný v roku 1989 japonským tímom, ktorý bol schopný používať omnoho kvalitnejšie vybavenie.

Experiment sa uskutočnil s fotónmi, elektrónmi a atómami a vždy s rovnakým výsledkom je zrejmé - niečo o meraní polohy častice v štrbine odstraňuje vlnu správanie. Existuje veľa teórií, ktoré vysvetľujú prečo, ale zatiaľ je veľa z nich stále domnienka.