Thomas Youngs dobbeltspalteeksperiment

Gjennom det nittende århundre hadde fysikere enighet om at lys oppførte seg som en bølge, i stor grad takket være det berømte dobbeltspalteeksperimentet utført av Thomas Young. Drevet av innsikten fra eksperimentet, og bølgeegenskapene det demonstrerte, oppsøkte et århundre fysikere mediet som lyset bølget gjennom, lysende eter. Selv om eksperimentet er mest bemerkelsesverdig med lys, er faktum at denne typen eksperiment kan utføres med alle typer bølger, for eksempel vann. For øyeblikket vil vi imidlertid fokusere på oppførsel av lys.

På begynnelsen av 1800-tallet (1801 til 1805, avhengig av kilden), gjennomførte Thomas Young sitt eksperiment. Han lot lys passere gjennom en spalte i en barriere, så det ekspanderte ut i bølgefronter fra den spalte som en lyskilde (under Huygens 'prinsipp). Det lyset gikk på sin side gjennom spaltene i en annen barriere (plasseres forsiktig i riktig avstand fra den opprinnelige spalten). Hver spalte på sin side distraherte lyset som om de også var individuelle lyskilder. Lyset påvirket en observasjonsskjerm. Dette vises til høyre.

Når en enkelt spalte var åpen, påvirket den bare observasjonsskjermen med større intensitet i sentrum og bleknet da du beveget deg bort fra sentrum. Det er to mulige resultater av dette eksperimentet:

Partikkelfortolkning: Hvis lys eksisterer som partikler, vil intensiteten til begge spaltene være summen av intensiteten fra de individuelle spaltene.

Bølgetolkning: Hvis lys eksisterer som bølger, vil lysbølgene ha det innblanding under prinsippet om superposisjon, skaper lysbånd (konstruktiv interferens) og mørk (destruktiv interferens).

Da eksperimentet ble utført, viste lysbølgene virkelig disse interferensmønstrene. Et tredje bilde som du kan se er en graf over intensiteten når det gjelder posisjon, som stemmer overens med spådommene fra interferens.

På det tidspunktet så det ut til å bevisst bevise at lys beveget seg i bølger, noe som forårsaket en revitalisering i Huygens bølgeteori om lys, som inkluderte et usynlig medium, eter, som bølgene forplantet seg gjennom. Flere eksperimenter gjennom 1800-tallet, mest kjent Michelson-Morley eksperiment, forsøkte å oppdage eteren eller dens effekter direkte.

De mislyktes alle, og et århundre senere ble Einsteins verk i fotoelektrisk effekt og relativitet førte til at eteren ikke lenger var nødvendig for å forklare oppførselen til lys. Igjen tok en partikkelteori om lys dominans.

Likevel, en gang foton teori om lys kom til og sa lyset beveget seg bare i diskrete kvanta, spørsmålet ble hvordan disse resultatene var mulige. I løpet av årene har fysikere tatt dette grunnleggende eksperimentet og utforsket det på flere måter.

På begynnelsen av 1900-tallet forble spørsmålet hvor lett - som nå ble anerkjent for å reise i partikkellignende "bunter" av kvantisert energi, kalt fotoner, takket være Einsteins forklaring av den fotoelektriske effekten - kunne også vise atferden av bølger. Visstnok danner en haug med vannatomer (partikler) når de virker sammen bølger. Kanskje dette var noe lignende.

Det ble mulig å ha en lyskilde som var satt opp slik at den sendte ut ett foton om gangen. Dette vil være bokstavelig talt som å kaste mikroskopiske kulelager gjennom spaltene. Ved å sette opp en skjerm som var følsom nok til å oppdage et enkelt foton, kan du bestemme om det var interferensmønster eller ikke i dette tilfellet.

En måte å gjøre dette på er å få en sensitiv film satt opp og kjøre eksperimentet over en periode, for så å se på filmen for å se hva lysmønsteret på skjermen er. Akkurat et slikt eksperiment ble utført, og faktisk samsvarte det med Youngs versjon identisk - vekslende lyse og mørke bånd, tilsynelatende et resultat av bølgeforstyrrelser.

Dette resultatet bekrefter og forvirrer bølgeteorien. I dette tilfellet blir det avgitt fotoner hver for seg. Det er bokstavelig talt ingen måte for bølgeforstyrrelser å skje fordi hvert foton bare kan gå gjennom en enkelt spalte om gangen. Men bølgeforstyrrelsen blir observert. Hvordan er dette mulig? Vel, forsøket på å svare på det spørsmålet har gitt mange spennende tolkninger av kvantefysikk, fra København-tolkningen til mange-verdens tolkning.

Anta nå at du utfører det samme eksperimentet, med en endring. Du plasserer en detektor som kan fortelle om fotonet går gjennom en gitt spalte eller ikke. Hvis vi vet at fotonet passerer gjennom den ene spalten, kan den ikke passere gjennom den andre spalten for å forstyrre seg selv.

Det viser seg at når du legger til detektoren, forsvinner bandene. Du utfører nøyaktig samme eksperiment, men bare legger til en enkel måling i en tidligere fase, og resultatet av eksperimentet endres drastisk.

Noe med å måle hvilken spalte som brukes, fjernet bølgelementet helt. På dette tidspunktet fungerte fotonene nøyaktig slik vi forventer at en partikkel skulle oppføre seg. Selve usikkerheten i posisjon er på en eller annen måte knyttet til manifestasjonen av bølgeeffekter.

Gjennom årene har eksperimentet blitt utført på en rekke forskjellige måter. I 1961 utførte Claus Jonsson eksperimentet med elektroner, og det samsvarte med Youngs oppførsel, og skapte interferensmønstre på observasjonsskjermen. Jonssons versjon av eksperimentet ble kåret til "det vakreste eksperimentet" av Fysikkverden lesere i 2002.

I 1974 ble teknologien i stand til å utføre eksperimentet ved å frigjøre et enkelt elektron om gangen. Igjen dukket interferensmønstrene opp. Men når en detektor plasseres ved spalten, forsvinner interferensen igjen. Eksperimentet ble igjen utført i 1989 av et japansk team som var i stand til å bruke mye mer raffinert utstyr.

Eksperimentet har blitt utført med fotoner, elektron og atomer, og hver gang det samme resultatet blir åpenbar - noe med å måle partikkelenes plassering ved spalten fjerner bølgen oppførsel. Det finnes mange teorier for å forklare hvorfor, men så langt er fortsatt mye av formodningen.