Thomas Young dupla résű kísérlete

A tizenkilencedik század folyamán a fizikusok egyetértettek abban, hogy a fény hullámként viselkedik, nagyrészt a Thomas Young által végzett híres kettős résű kísérletnek köszönhetően. A kísérlet betekintése és a bebizonyított hullám tulajdonságai vezérelték a fizikusok egy évszázadát arra a közegre, amelyen keresztül a fény hullámzott, világító éter. Noha a kísérlet leginkább a fény ellen szól, az a tény, hogy ez a fajta kísérlet bármilyen típusú hullámmal, például vízzel elvégezhető. Jelenleg azonban a fény viselkedésére összpontosítunk.

Az 1800-as évek elején (1801-től 1805-ig, a forrástól függően) Thomas Young végezte kísérletét. Megengedte, hogy a fény áthaladjon egy akadály résén, így fényforrásként hullámfrontokban kinyílt ebből a hasításból (alatt Huygens-elv). Ez a fény viszont áthaladt egy másik akadályon lévő réspárokon (óvatosan helyezve a megfelelő távolságra az eredeti hasítástól). Mindegyik rés eloszlatta a fényt, mintha különálló fényforrás lenne. A fény hatással volt a megfigyelő képernyőre. Ezt jobbra mutatjuk.

Amikor egyetlen rés volt nyitva, az csak a közepén nagyobb intenzitással becsapta a megfigyelő képernyőt, majd elhalványult, amikor elmozdult a központtól. Ennek a kísérletnek két lehetséges eredménye van:

Részecske értelmezése: Ha a fény részecskékként létezik, akkor a két rés intenzitása az egyes rések intenzitásának összege.

Hullám értelmezése: Ha a fény hullámként létezik, akkor a fényhullámoknak is van beavatkozás a szuperpozíció elve alapján, fénysávok (konstruktív interferencia) és sötét (destruktív interferencia) sávok létrehozásával.

A kísérlet végrehajtásakor a fényhullámok valóban megmutatták ezeket az interferenciamintákat. A megtekinteni kívánt harmadik kép az erősség grafikonja a helyzet szempontjából, amely megegyezik az interferencia előrejelzéseivel.

Abban az időben úgy tűnt, hogy ez egyértelműen bizonyítja, hogy a fény hullámokban halad, ami újjáéledt Huygen fényhullám-elméletében, amely egy láthatatlan közeget is tartalmazott, éter, amelyen keresztül a hullámok terjedtek. Az 1800-as években számos kísérlet történt, leginkább a híres Michelson-Morley kísérlet, megkísérelte közvetlenül észlelni az étert vagy annak hatásait.

Mindannyian kudarcot valltak, és évszázaddal később Einstein munkája a fotoelektromos hatás és a relativitáselmélet azt eredményezi, hogy az étert már nem kell magyarázni a fény viselkedéséről. A fény részecske-elmélete ismét uralkodott.

Mégis, miután a foton A fényelmélet jött létre, mondván, hogy a fény csak diszkrét kvantumokban mozog, és felmerül a kérdés, hogy ezek az eredmények miként lehetségesek. Az évek során a fizikusok elvégezték ezt az alapkísérletet, és számos módon feltárták azt.

Az 1900-as évek elején továbbra is felmerült a kérdés, hogy mennyire könnyű - amelyet ma már felismertek, hogy a részecskeszerű "kötegekben" mozog A kvantált energia, fotonoknak nevezett, Einstein magyarázatának köszönhetően a fotoelektromos hatásról - szintén megjelenítheti a viselkedést hullámok. Természetesen egy csomó vízatom (részecske) együtt működve hullámokat képez. Talán ez valami hasonló volt.

Lehetséges volt egy fényforrás, amelyet úgy állítottak fel, hogy egyszerre csak egy fotont bocsásson ki. Ez szó szerint olyan lenne, mint mikroszkopikus golyóscsapágyak a résen keresztül rohanni. Ha egy olyan fényképet állít fel, amely elég érzékeny egyetlen foton észlelésére, meghatározhatja, hogy ebben az esetben vannak-e interferenciaminták.

Ennek egyik módja egy érzékeny film felállítása és egy ideig tartó kísérlet futtatása, majd nézze meg a filmet, hogy megnézze, mi a képernyő fényereje. Éppen ilyen kísérletet hajtottak végre, és valójában megegyezett a Young verziójával - váltakozó világos és sötét sávok, látszólag hulláminterferencia eredményeként.

Ez az eredmény egyaránt megerősíti és megtévesztheti a hullámelméletet. Ebben az esetben a fotonokat egyénileg bocsátják ki. Szó szerint nincs mód a hullám-interferenciára, mivel minden foton egyszerre csak egy résen megy keresztül. De a hulláminterferencia megfigyelhető. Hogyan lehetséges ez? Nos, a kérdés megválaszolására tett kísérlet sok érdekes értelmezést váltott ki kvantumfizika, a koppenhágai értelmezés és a sokvilágú értelmezés között.

Tegyük fel, hogy ugyanazt a kísérletet végzi, egyetlen változtatással. Helyezzen egy érzékelőt, amely meg tudja mondani, hogy a foton áthalad-e egy adott résen. Ha tudjuk, hogy a foton áthalad az egyik résen, akkor nem tudja áthaladni a másik résen, hogy megzavarja magát.

Kiderül, hogy az érzékelő hozzáadásakor a sávok eltűnnek. Ugyanazt a kísérletet hajtja végre, de csak egy korábbi szakaszban ad hozzá egy egyszerű mérést, és a kísérlet eredménye drasztikusan megváltozik.

Valami a használt rés mérésével teljesen eltávolította a hullámelemet. Ezen a ponton a fotonok pontosan úgy viselkedtek, mint amire számíthatnánk egy részecske viselkedését. A helyzet bizonytalansága valamilyen módon kapcsolódik a hullámhatások megnyilvánulásához.

Az évek során a kísérletet számos különféle módon hajtották végre. 1961-ben Claus Jonsson elvégezte a kísérletet elektronokkal, és ez megfelelt Young viselkedésének, interferenciamintákat hozva létre a megfigyelő képernyőn. Jonsson a kísérlet verzióját a "legszebb kísérlet" szavazta Fizika Világa olvasók 2002-ben.

1974-ben a technológia képes volt végrehajtani a kísérletet azáltal, hogy egyszerre egyetlen elektronot enged fel. Megint megjelentek az interferencia minták. De ha egy érzékelőt helyeznek a résbe, az interferencia ismét eltűnik. A kísérletet 1989-ben ismét egy japán csapat hajtotta végre, amely sokkal kifinomultabb felszereléseket tudott használni.

A kísérletet fotonokkal, elektronokkal és atomokkal hajtottuk végre, és minden alkalommal ugyanazt az eredményt kaptuk nyilvánvalóvá válik - valami, ami a részecske résen belüli helyzetének mérésével távolítja el a hullámot viselkedés. Számos elmélet létezik annak megmagyarázására, hogy miért, de ez eddig még mindig sejtés.