Youngs dobbeltspalteeksperiment

Det originale eksperimentet

Jonasl/Wikimedia Commons/CC BY

Gjennom det nittende århundre hadde fysikere en konsensus 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, søkte et århundre med fysikere opp mediet som lyset bølget gjennom, lysende eter . Selv om eksperimentet er mest bemerkelsesverdig med lys, er faktum at denne typen eksperimenter kan utføres med alle typer bølger, for eksempel vann. For øyeblikket vil vi imidlertid fokusere på lysets oppførsel.

Hva var eksperimentet?

På begynnelsen av 1800-tallet (1801 til 1805, avhengig av kilden), utførte Thomas Young sitt eksperiment. Han lot lys passere gjennom en spalte i en barriere slik at det utvidet seg ut i bølgefronter fra den spalten som en lyskilde (under Huygens prinsipp ). Det lyset på sin side passerte gjennom paret med spalter i en annen barriere (plassert forsiktig i riktig avstand fra den opprinnelige spalten). Hver spalte på sin side diffrakterte lyset som om de også var individuelle lyskilder. Lyset traff en observasjonsskjerm. Dette er vist til høyre.

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

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

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

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

Effekten av Youngs eksperiment

På den tiden så dette ut til å bevise at lys reiste i bølger, noe som førte til en revitalisering i Huygens bølgeteori om lys, som inkluderte et usynlig medium, eter , som bølgene forplantet seg gjennom. Flere eksperimenter gjennom 1800-tallet, spesielt det berømte Michelson-Morley eksperiment , forsøkte å oppdage eteren eller dens effekter direkte.

De mislyktes alle og et århundre senere ble Einsteins arbeid i fotoelektrisk effekt og relativitet resulterte i at eteren ikke lenger var nødvendig for å forklare lysets oppførsel. Igjen tok en partikkelteori om lys dominans.

Utvide dobbeltspalteeksperimentet

Likevel, en gang foton teorien om lys kom til, og sa at lyset bare beveget seg i diskrete kvanter, ble spørsmålet hvordan disse resultatene var mulige. Gjennom årene har fysikere tatt dette grunnleggende eksperimentet og utforsket det på en rekke måter.

På begynnelsen av 1900-tallet gjensto spørsmålet hvordan lys - som nå ble anerkjent å reise i partikkellignende 'bunter' av kvantisert energi, kalt fotoner, takket være Einsteins forklaring av den fotoelektriske effekten - også kunne vise oppførselen til bølger. Gjerne, en haug med vannatomer (partikler) danner bølger når de virker sammen. Kanskje dette var noe lignende.

Ett foton om gangen

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

En måte å gjøre dette på er å sette opp en sensitiv film 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 - alternerende lyse og mørke bånd, tilsynelatende et resultat av bølgeinterferens.

Dette resultatet både bekrefter og forvirrer bølgeteorien. I dette tilfellet sendes fotoner ut individuelt. Det er bokstavelig talt ingen måte for bølgeinterferens å finne sted fordi hvert foton bare kan gå gjennom en enkelt spalte om gangen. Men bølgeinterferensen blir observert. Hvordan er dette mulig? Vel, forsøket på å svare på det spørsmålet har skapt mange spennende tolkninger av kvantefysikk , fra København-tolkningen til mange-verden-tolkningen.

Det blir enda merkeligere

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

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

Noe med det å måle hvilken spalte som ble brukt fjernet bølgeelementet fullstendig. På dette tidspunktet oppførte fotonene nøyaktig slik vi forventet at en partikkel skulle oppføre seg. Selve usikkerheten i posisjon er på en eller annen måte relatert til manifestasjonen av bølgeeffekter.

Flere partikler

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 er utført med fotoner, elektroner og atomer, og hver gang blir det samme resultatet tydelig - noe med å måle partikkelens posisjon ved spalten fjerner bølgeoppførselen. Mange teorier eksisterer for å forklare hvorfor, men så langt er mye av det fortsatt antagelser.