Eksperiment dvojnega reza Thomas Young

Skozi devetnajsto stoletje so imeli fiziki soglasje, da se svetloba obnaša kot val, v veliki meri zahvaljujoč znamenitemu poskusu z dvojnimi režami, ki ga je izvedel Thomas Young. Navdušeni iz vpogleda v eksperiment in lastnosti valov, ki jih je pokazal, je stoletje fizikov iskalo medij, skozi katerega je svetloba mahala, svetlobni eter. Čeprav je poskus najbolj opazen s svetlobo, je dejstvo, da lahko tovrstni poskus izvedemo s katero koli vrsto valov, kot je voda. Zaenkrat pa se bomo osredotočili na vedenje svetlobe.

V zgodnjih 1800-ih (od 1801 do 1805, odvisno od vira) je Thomas Young izvedel eksperiment. Dovolil je, da svetloba prehaja skozi režo v pregradi, tako da se je razširila na valovnih frontah iz te reže kot vir svetlobe (pod Huygenovo načelo). Ta luč je prešla skozi par rež v drugo pregrado (previdno postavljena na pravo razdaljo od prvotne reže). Vsaka reža pa je razsvetljevala svetlobo, kot da bi bili tudi posamezni viri svetlobe. Svetloba je vplivala na opazovalni zaslon. To je prikazano na desni.

Ko se je odprla ena sama reža, je z večjo intenzivnostjo na sredini zgolj udarila v zaslon opazovanja in nato z odmikom od središča zbledela. Obstajata dva možna rezultata tega poskusa:

Interpretacija delcev: Če obstaja svetloba kot delci, bo intenziteta obeh rež enaka vsoti intenzitete posameznih rež.

Tolmačenje valov: Če svetloba obstaja kot valovi, bodo svetlobni valovi imeli poseg po načelu superpozicije, ki ustvarjajo pasove svetlobe (konstruktivne motnje) in temne (destruktivne motnje).

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

Takrat se je zdelo, da to dokončno dokazuje, da je svetloba potovala v valovih, kar je povzročilo oživitev Huygenove valovne teorije svetlobe, ki je vključevala neviden medij, eter, skozi katero so se širili valovi. Več poskusov v 1800-ih, najbolj znan je bil slaven Michelson-Morleyjev eksperiment, poskušali neposredno zaznati eter ali njegove učinke.

Vsi so propadli in stoletje pozneje je delo Einsteina v fotoelektrični učinek zaradi relativnosti pa etru ni več treba razlagati vedenja svetlobe. Spet je teorija delcev o svetlobi prevzela prevlado.

Še vedno, ko foton nastala je teorija svetlobe, češ da se svetloba giblje le v diskretnih kvantah, postalo je vprašanje, kako so ti rezultati mogoči. Skozi leta so se fiziki lotili tega osnovnega poskusa in ga raziskovali na več načinov.

V zgodnjih devetdesetih letih prejšnjega stoletja ostaja vprašanje, kako lahka - zdaj je bilo prepoznano, da potuje v "svežnjah" v obliki delcev kvantizirana energija, imenovana fotoni, zahvaljujoč Einsteinovi razlagi fotoelektričnega učinka - bi lahko pokazala tudi vedenje valov. Zagotovo kopica vodnih atomov (delcev), ko delujejo skupaj, tvorijo valove. Mogoče je bilo to nekaj podobnega.

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 vrteli mikroskopske kroglične ležaje. Z nastavitvijo zaslona, ​​ki je bil dovolj občutljiv za zaznavanje posameznega fotona, bi lahko ugotovili, ali v tem primeru ni bilo vzorcev motenj.

Eden od načinov za to je nastavitev občutljivega filma in izvajanje eksperimenta v določenem času, nato pa si oglejte film, da vidite, kakšen je vzorec svetlobe na zaslonu. Prav takšen poskus je bil izveden in se je v resnici enakovredno ujemal z Youngovo različico - izmeničnimi svetlimi in temnimi pasovi, ki so na videz posledica motenj valov.

Ta rezultat potrjuje in zmede valovno teorijo. V tem primeru se fotoni oddajajo posamično. Dobesedno ni možnosti, da bi prišlo do motenj valov, ker lahko vsak foton gredo samo skozi eno režo. Toda opazimo interferenco valov. Kako je to mogoče? No, poskus odgovora na to vprašanje je sprožil številne intrigantne interpretacije kvantna fizika, od kopenhagenske interpretacije do interpretacije v več svetovih.

Zdaj predpostavite, da izvajate isti poskus, z eno spremembo. Postavite detektor, ki lahko pove, ali foton prehaja skozi dano režo ali ne. Če vemo, da foton prehaja skozi eno režo, potem ne more skozi drugo režo, da bi posegal vase.

Izkaže se, da ko dodate detektor, pasovi izginejo. Izvedete popolnoma enak poskus, vendar dodate le preprosto meritev v zgodnejši fazi in rezultat preizkusa se drastično spremeni.

Nekaj ​​v dejanju merjenja, katere reže se uporablja, je valovni element popolnoma odstranil. V tem trenutku so fotoni delovali točno tako, kot smo pričakovali, da se bo delček obnašal. Sama negotovost položaja je nekako povezana z manifestacijo valovnih učinkov.

Skozi leta je eksperiment potekal na več različnih načinov. Leta 1961 je Claus Jonsson izvedel poskus z elektroni in se skladal z Youngovim vedenjem ter na opazovalnem zaslonu ustvaril vzorce motenj. Jonssonovo različico eksperimenta je "najlepši eksperiment" označil za Svet fizike bralci leta 2002.

Leta 1974 je tehnologija postala sposobna izvesti poskus, tako da je sprostila en sam elektron naenkrat. Spet so se pokazali vzorci motenj. Ko pa se na reži postavi detektor, motenje spet izgine. Poizkus je leta 1989 ponovno izvedla japonska ekipa, ki je znala uporabljati veliko bolj rafinirano opremo.

Poskus je bil izveden s fotoni, elektroni in atomi, in vsakič enak rezultat postane očitno - nekaj o merjenju položaja delca na reži odstrani val vedenje. Obstaja veliko teorij, ki pojasnjujejo, zakaj, vendar je zaenkrat še vedno veliko domnev.