Tomasa Younga divkāršās spraugas eksperiments

Deviņpadsmitā gadsimta laikā fiziķi bija vienisprātis, ka gaisma uzvedas kā vilnis, lielā mērā pateicoties slavenajam dubultā spraugas eksperimentam, kuru veica Tomass Youngs. Veicot eksperimenta atziņas un tā demonstrētās viļņu īpašības, fiziķu gadsimts meklēja barotni, caur kuru viļņoja gaisma, spīdošs ēteris. Lai arī eksperiments ir visievērojamākais ar gaismu, fakts ir tāds, ka šāda veida eksperimentu var veikt ar jebkura veida viļņiem, piemēram, ar ūdeni. Tomēr pagaidām galvenā uzmanība tiks pievērsta gaismas uzvedībai.

1800. gadu sākumā (no 1801. līdz 1805. gadam, atkarībā no avota) Tomass Youngs veica savu eksperimentu. Viņš ļāva gaismai iziet cauri šķēršļa spraugai, tāpēc tā izpleās viļņu frontēs no šīs spraugas kā gaismas avots (zem Hjūgena princips). Šī gaisma, savukārt, šķērsoja šķēlumu pāri citā barjerā (uzmanīgi novietojot pareizo attālumu no sākotnējās spraugas). Katrs spraugas savukārt izkliedēja gaismu tā, it kā tās būtu arī atsevišķi gaismas avoti. Gaisma ietekmēja novērošanas ekrānu. Tas ir parādīts labajā pusē.

Kad viena sprauga bija atvērta, tā tikai ar lielāku intensitāti ietriecās novērošanas ekrānā centrā un pēc tam izbalēja, kad attālinājāties no centra. Šim eksperimentam ir divi iespējamie rezultāti:

Daļiņu interpretācija: Ja gaisma pastāv kā daļiņas, abu spraugu intensitāte būs atsevišķo spraugu intensitātes summa.

Viļņu interpretācija: Ja gaisma eksistē kā viļņi, tad gaismas viļņiem būs iejaukšanās saskaņā ar superpozīcijas principu, izveidojot gaismas (konstruktīvas iejaukšanās) un tumšas (destruktīvas iejaukšanās) joslas.

Kad eksperiments tika veikts, gaismas viļņi patiešām parādīja šos traucējumus. Trešais attēls, ko varat apskatīt, ir pozīcijas intensitātes grafiks, kas sakrīt ar traucējumu prognozēm.

Tajā laikā šķita, ka tas pārliecinoši pierāda, ka gaisma pārvietojās viļņos, izraisot Hjūgena gaismas viļņu teorijas, kas ietvēra neredzamu barotni, atdzīvināšanu, ēteris, caur kuru viļņi izplatījās. Vairāki eksperimenti 1800. gadu laikā, īpaši slaveni Miķelsona-Morlija eksperiments, mēģināja tieši atklāt ēteri vai tā iedarbību.

Viņi visi cieta neveiksmes, un gadsimtu vēlāk Einšteina darbs fotoelektriskais efekts un relativitātes rezultātā ēteris vairs nebija nepieciešams izskaidrot gaismas izturēšanos. Atkal dominēja gaismas daļiņu teorija.

Joprojām, kad fotons radās gaismas teorija, sakot, ka gaisma pārvietojas tikai diskrētos kvantos, un kļuva jautājums, kā šie rezultāti bija iespējami. Gadu gaitā fiziķi ir veikuši šo pamata eksperimentu un daudzos veidos to izpētījuši.

1900. gadu sākumā palika jautājums par to, cik viegls - tagad tika atzīts, ka tas pārvietojas daļiņām līdzīgos “saišķos” kvantētā enerģija, ko sauc par fotoniem, pateicoties Einšteina skaidrojumam par fotoelektrisko efektu - varētu arī parādīt uzvedību no viļņiem. Protams, ķekars ūdens atomu (daļiņu), darbojoties kopā, veido viļņus. Varbūt tas bija kaut kas līdzīgs.

Kļuva iespējams, ka ir uzstādīts gaismas avots, kas vienlaikus izstaro vienu fotonu. Burtiski tas būtu kā mikroskopisko lodīšu gultņu izmešana caur spraugām. Izveidojot pietiekami jutīgu ekrānu, lai noteiktu vienu fotonu, jūs varētu noteikt, vai šajā gadījumā bija vai nebija traucējumu shēmas.

Viens veids, kā to izdarīt, ir iestatīt jutīgu filmu un veikt eksperimentu noteiktā laika posmā, pēc tam apskatiet filmu, lai redzētu, kāds ir ekrāna gaismas raksturs. Tieši šāds eksperiments tika veikts, un faktiski tas identiski atbilda Younga versijai - mainīgas gaišas un tumšas joslas, kas šķietami rodas no viļņu traucējumiem.

Šis rezultāts gan apstiprina, gan mulsina viļņu teoriju. Šajā gadījumā fotoni tiek izstaroti individuāli. Burtiski viļņu iejaukšanās nav iespējama, jo katrs fotons vienlaikus var iziet tikai caur vienu spraugu. Bet tiek novēroti viļņu traucējumi. Kā tas ir iespējams? Mēģinājums atbildēt uz šo jautājumu ir izraisījis daudzas intriģējošas interpretācijas kvantu fizika, sākot ar Kopenhāgenas interpretāciju un beidzot ar daudzo pasauļu interpretāciju.

Tagad pieņemsim, ka jūs veicat to pašu eksperimentu ar vienu izmaiņu. Jūs novietojat detektoru, kas var noteikt, vai fotons iet caur doto spraugu. Ja mēs zinām, ka fotons iet caur vienu spraugu, tad tas nevar iziet caur otru spraugu, lai iejauktos pats.

Izrādās, ka, pievienojot detektoru, joslas pazūd. Jūs veicat tieši tādu pašu eksperimentu, bet pievienojiet vienkāršu mērījumu tikai iepriekšējā posmā, un eksperimenta rezultāts krasi mainās.

Kaut kas no tā, kā mēra izmantoto spraugu, pilnībā noņem viļņa elementu. Šajā brīdī fotoni rīkojās tieši tā, kā mēs gaidījām, ka daļiņa izturēsies. Ļoti nenoteiktība pozīcijā kaut kādā veidā ir saistīta ar viļņu ietekmes izpausmēm.

Gadu gaitā eksperiments ir veikts vairākos dažādos veidos. Klauss Jonssons 1961. gadā veica eksperimentu ar elektroniem, un tas atbilda Younga uzvedībai, radot traucējumu modeļus novērošanas ekrānā. Jonssona eksperimenta versiju nobalsoja par "visskaistāko eksperimentu" Fizikas pasaule lasītājiem 2002. gadā.

1974. gadā tehnoloģija varēja veikt eksperimentu, vienlaikus atbrīvojot vienu elektronu. Atkal parādījās traucējumu modeļi. Kad detektoru novieto pie spraugas, traucējumi atkal pazūd. Eksperimentu atkal veica 1989. gadā japāņu komanda, kas spēja izmantot daudz pilnveidotāku aprīkojumu.

Eksperiments tika veikts ar fotoniem, elektroniem un atomiem, un katru reizi tas pats rezultāts kļūst acīmredzams - kaut kas par daļiņas stāvokļa mērīšanu spraugā noņem vilni izturēšanās. Pastāv daudzas teorijas, lai izskaidrotu, kāpēc, bet pagaidām liela daļa no tām joprojām ir minējumi.