Per devynioliktąjį amžių fizikai sutarė, kad šviesa elgiasi kaip banga, didžiąja dalimi dėl garsaus dvigubo plyšio eksperimento, kurį atliko Thomas Youngas. Varomas remiantis eksperimento įžvalgomis ir jo demonstruojamomis bangų savybėmis, šimtmetis fizikų ieškojo terpės, per kurią banga sklidė šviesos, šviečiantis eteris. Nors eksperimentas labiausiai pastebimas su šviesa, faktas yra tas, kad tokį eksperimentą galima atlikti su bet kokio tipo bangomis, pavyzdžiui, vandeniu. Tačiau kol kas daugiausia dėmesio skirsime šviesos elgesiui.
Koks buvo eksperimentas?
1800 m. Pradžioje (nuo 1801 iki 1805 m., Priklausomai nuo šaltinio) Thomas Youngas atliko savo eksperimentą. Jis leido šviesai praeiti pro kliūties plyšį, todėl ji išsiskleidė bangos frontuose iš tos plyšio kaip šviesos šaltinis (po Huygenso principas). Ši lemputė, savo ruožtu, praėjo pro plyšius pora kitame barjere (atsargiai padėdami reikiamą atstumą nuo pradinio plyšio). Kiekvienas plyšys savo ruožtu išsklaidė šviesą taip, lyg jie taip pat būtų atskiri šviesos šaltiniai. Šviesa paveikė stebėjimo ekraną. Tai parodyta dešinėje.
Kai vienas plyšys buvo atidarytas, jis tik stipriau smogė į stebėjimo ekraną centre, o paskui nutilo, toldamas nuo centro. Yra du galimi šio eksperimento rezultatai:
Dalelių aiškinimas: Jei šviesa egzistuoja kaip dalelės, abiejų plyšių intensyvumas bus atskirų plyšių intensyvumo suma.
Bangos interpretacija: Jei šviesa egzistuoja kaip bangos, šviesos bangos turės kišimasis į superpozicijos principą, sukuriant šviesos (konstruktyvūs trukdžiai) ir tamsios (destruktyvūs trukdžiai) juostas.
Kai eksperimentas buvo atliktas, šviesos bangos iš tikrųjų parodė šiuos trukdžių modelius. Trečias vaizdas, kurį galite peržiūrėti, yra padėties intensyvumo grafikas, kuris sutampa su trukdžių prognozėmis.
Youngo eksperimento poveikis
Tuo metu tai atrodė įtikinamai įrodanti, kad šviesa keliavo bangomis, sukeldama atgaivą Huygeno šviesos bangų teorijoje, apimančioje nematomą terpę, eteris, per kurias bangos sklido. Keli eksperimentai per 1800-uosius metus, ypač žinomi Michelsono-Morley eksperimentas, bandyta tiesiogiai aptikti eterį ar jo poveikį.
Jie visi žlugo ir po šimtmečio Einšteino darbai fotoelektrinis efektas o reliatyvumas lėmė, kad eterio nebereikėjo aiškinti šviesos elgesio. Vėlgi dominavo dalelių šviesos teorija.
Plėsti dvigubo plyšio eksperimentą
Vis dėlto vieną kartą fotonas atsirado šviesos teorija, sakanti, kad šviesa juda tik atskirais kvantais, todėl kilo klausimas, kaip šie rezultatai buvo įmanomi. Bėgant metams, fizikai ėmėsi šio pagrindinio eksperimento ir tyrinėjo jį įvairiais būdais.
Šeštojo dešimtmečio pradžioje išliko klausimas, koks lengvas - dabar buvo pripažinta, kad jis keliauja dalelių pavidalo „ryšuliais“ kiekybinė energija, vadinama fotonais, dėka Einšteino paaiškinimo apie fotoelektrinį efektą, taip pat galėtų parodyti elgesį bangų. Be abejo, krūva vandens atomų (dalelių), veikdami kartu, sudaro bangas. Gal tai buvo kažkas panašaus.
Vienas fotonas vienu metu
Buvo įmanoma turėti šviesos šaltinį, kuris buvo pastatytas taip, kad skleistų vieną fotoną vienu metu. Tai pažodžiui būtų tarsi mikroskopinių rutulinių guolių sumušimas per plyšius. Nustatydami pakankamai jautrų ekraną, kad būtų galima aptikti vieną fotoną, galėtumėte nustatyti, ar trikdžių modelių šiuo atveju nebuvo, ar nebuvo.
Vienas iš būdų tai padaryti yra nustatyti jautrų filmą ir tam tikrą laiką vykdyti eksperimentą, tada pažiūrėkite į filmą, kad pamatytumėte, koks yra šviesos ekrano vaizdas ekrane. Tiesiog toks eksperimentas buvo atliktas ir, tiesą sakant, jis identiškai atitiko Youngo versiją - kintamos šviesos ir tamsios juostos, atrodo, atsirandančios dėl bangos trukdžių.
Šis rezultatas patvirtina ir pribloškia bangų teoriją. Tokiu atveju fotonai yra skleidžiami atskirai. Tiesiogine prasme bangų trukdžiai nėra tokie, nes kiekvienas fotonas gali pereiti tik per vieną plyšį vienu metu. Bet bangų trikdžiai pastebimi. Kaip tai įmanoma? Na, bandymas atsakyti į šį klausimą sukėlė daugybę intriguojančių Kvantinė fizika, pradedant Kopenhagos interpretacija ir baigiant daugelio pasaulių interpretacija.
Tai pasidaro net nepažįstama
Dabar tarkime, kad atliksite tą patį eksperimentą su vienu pakeitimu. Jūs įdedate detektorių, kuris gali pasakyti, ar fotonas praeina per tam tikrą plyšį. Jei mes žinome, kad fotonas praeina per vieną plyšį, jis negali praeiti pro kitą plyšį, kad galėtų trukdyti.
Pasirodo, kai pridedate detektorių, juostos išnyksta. Jūs atliksite tą patį eksperimentą, bet atliksite tik paprastą matavimą ankstesniame etape, o eksperimento rezultatas drastiškai pasikeis.
Tai, kas išmatuota, koks plyšys naudojamas, visiškai pašalino bangos elementą. Šiuo metu fotonai veikė tiksliai taip, kaip mes tikėjomės, kad dalelė elgsis. Pats padėties netikrumas kažkodėl susijęs su bangos efektų pasireiškimu.
Daugiau dalelių
Bėgant metams eksperimentas buvo atliktas įvairiais būdais. 1961 m. Clausas Jonssonas atliko eksperimentą su elektronais ir jis atitiko Youngo elgesį, sukurdamas trikdžių modelius stebėjimo ekrane. Jonsson eksperimento versiją balsavo „pats gražiausias eksperimentas“ Fizikos pasaulis skaitytojų 2002 m.
1974 m. Technologijos sugebėjo atlikti eksperimentą išleisdamos vieną elektroną vienu metu. Vėl pasirodė trikdžių modeliai. Kai dedamas detektorius ties plyšiu, trikdžiai vėl išnyksta. Šį eksperimentą dar kartą 1989 m. Atliko Japonijos komanda, kuri sugebėjo naudoti daug tobulesnę įrangą.
Eksperimentas buvo atliktas su fotonais, elektronais ir atomais ir kiekvieną kartą tas pats rezultatas tampa akivaizdu - kažkas, matuojant dalelės padėtį plyšyje, pašalina bangą elgesys. Egzistuoja daugybė teorijų, paaiškinančių kodėl, tačiau kol kas tai vis dar yra spėlionės.