Thomas Youngs dobbeltslidseksperiment

Gennem det nittende århundrede havde fysikere enighed om, at lys opførte sig som en bølge, stort set takket være det berømte dobbeltslidseksperiment udført af Thomas Young. Drevet af indsigt fra eksperimentet og de bølgeegenskaber, det demonstrerede, søgte et århundrede fysikere det medium, hvorigennem lyset viftede, lysende ether. Selvom eksperimentet er mest bemærkelsesværdigt med lys, er faktum, at denne form for eksperiment kan udføres med enhver bølgetype, f.eks. Vand. For øjeblikket vil vi dog fokusere på lysets opførsel.

I begyndelsen af ​​1800-tallet (1801 til 1805, afhængigt af kilden), gennemførte Thomas Young sit eksperiment. Han lod lys passere gennem en spalte i en barriere, så det ekspanderede ud i bølgefronter fra den spalte som en lyskilde (under Huygens 'princip). Dette lys gik igen gennem parspalterne i en anden barriere (placeres omhyggeligt i den rigtige afstand fra den originale spalte). Hver spalte diffraherede på sin side lyset, som om de også var individuelle lyskilder. Lyset påvirkede en observationsskærm. Dette vises til højre.

Når en enkelt spalte var åben, påvirkede den blot observationsskærmen med større intensitet i midten og falmede, da du flyttede væk fra midten. Der er to mulige resultater af dette eksperiment:

Partikelfortolkning: Hvis der findes lys som partikler, vil intensiteten af ​​begge spalter være summen af ​​intensiteten fra de individuelle spalter.

Bølgetolkning: Hvis lys eksisterer som bølger, vil lysbølgerne have interferens under princippet om superpositionskaber bånd af lys (konstruktiv interferens) og mørk (destruktiv interferens).

Da eksperimentet blev udført, viste lysbølgerne faktisk disse interferensmønstre. Et tredje billede, som du kan se, er en graf over intensiteten med hensyn til position, der stemmer overens med forudsigelserne fra interferens.

På det tidspunkt syntes dette endeligt at bevise, at lys bevægede sig i bølger, hvilket medførte en revitalisering i Huygens bølgeteori om lys, der omfattede et usynligt medium, æter, gennem hvilke bølgerne forplantede sig. Flere eksperimenter gennem 1800-tallet, især de berømte Michelson-Morley eksperiment, forsøgte at registrere ether eller dens virkninger direkte.

De mislykkedes alle, og et århundrede senere Einsteins arbejde i fotoelektrisk effekt og relativitet resulterede i, at æteret ikke længere var nødvendigt for at forklare lysets opførsel. Igen tog en partikelteori om lys dominans.

Stadig, når foton teori om lys skabte og sagde, at lyset kun bevægede sig i diskret kvanta, spørgsmålet blev, hvordan disse resultater var mulige. I årenes løb har fysikere taget dette grundlæggende eksperiment og undersøgt det på en række måder.

I begyndelsen af ​​1900'erne forblev spørgsmålet, hvordan lys - som nu blev anerkendt for at rejse i partikelagtige "bundter" af kvantiseret energi, kaldet fotoner, takket være Einsteins forklaring af den fotoelektriske effekt - kunne også udvise opførsel af bølger. Bestemt, en masse vandatomer (partikler), når de fungerer sammen, danner bølger. Måske var dette noget lignende.

Det blev muligt at have en lyskilde, der var sat op, så den udsendte en foton ad gangen. Dette ville bogstaveligt talt være som at kaste mikroskopiske kuglelejer gennem spalterne. Ved at indstille en skærm, der var følsom nok til at detektere en enkelt foton, kunne du bestemme, om der var eller ikke var interferensmønstre i dette tilfælde.

En måde at gøre dette på er at få en følsom film sat op og køre eksperimentet over en periode, og se derefter på filmen for at se, hvad lysmønsteret på skærmen er. Netop et sådant eksperiment blev udført, og det matchede faktisk Youngs version identisk - skiftende lyse og mørke bånd, tilsyneladende resultatet af bølgeforstyrrelser.

Dette resultat bekræfter og forvirrer bølgeteorien. I dette tilfælde udsendes fotoner individuelt. Der er bogstaveligt talt ingen måde for bølgeinterferens at finde sted, fordi hver foton kun kan gå gennem en enkelt spalte ad gangen. Men bølgeforstyrrelsen observeres. Hvordan er det muligt? Nå, forsøget på at besvare dette spørgsmål har skabt mange spændende fortolkninger af kvantefysik, fra Københavns fortolkning til mange verdens fortolkning.

Antag nu, at du udfører det samme eksperiment med en ændring. Du placerer en detektor, der kan fortælle, om fotonen passerer gennem en given spalte eller ej. Hvis vi ved, at fotonen passerer gennem den ene spalte, kan den ikke passere gennem den anden spalte for at forstyrre sig selv.

Det viser sig, at når du tilføjer detektoren, forsvinder båndene. Du udfører nøjagtigt det samme eksperiment, men tilføj kun en simpel måling i en tidligere fase, og resultatet af eksperimentet ændres drastisk.

Noget ved at måle hvilken spalte der bruges fjernede bølgelementet helt. På dette tidspunkt virkede fotonerne nøjagtigt, som vi ville forvente, at en partikel skulle opføre sig. Selve usikkerheden i position er på en eller anden måde forbundet med manifestationen af ​​bølgeeffekter.

I årenes løb er eksperimentet blevet udført på en række forskellige måder. I 1961 udførte Claus Jonsson eksperimentet med elektroner, og det stemte overens med Youngs opførsel og skabte interferensmønstre på observationsskærmen. Jonssons version af eksperimentet blev kåret til "det smukkeste eksperiment" af Fysik verden læsere i 2002.

I 1974 blev teknologien i stand til at udføre eksperimentet ved at frigive en enkelt elektron ad gangen. Igen viste interferensmønstrene sig. Men når en detektor placeres ved spalten, forsvinder interferensen igen. Eksperimentet blev igen udført i 1989 af et japansk hold, der var i stand til at bruge meget mere raffineret udstyr.

Eksperimentet er blevet udført med fotoner, elektroner og atomer, og hver gang det samme resultat bliver åbenlyst - noget ved at måle partiklernes position ved spalten fjerner bølgen opførsel. Der findes mange teorier for at forklare hvorfor, men indtil videre er meget af det stadig antaget.