Эксперимент Томаса Янга с двумя щелями

На протяжении всего девятнадцатого века у физиков было единодушное мнение, что свет ведет себя как волна, во многом благодаря знаменитому эксперименту с двумя щелями, выполненному Томасом Янгом. Руководствуясь идеями эксперимента и продемонстрированными им волновыми свойствами, столетия физиков искали среду, через которую размахивал свет, светящийся эфир. Хотя эксперимент наиболее заметен при освещении, факт заключается в том, что этот вид эксперимента можно проводить с любым типом волны, например с водой. На данный момент, однако, мы сосредоточимся на поведении света.

В начале 1800-х годов (с 1801 по 1805, в зависимости от источника) Томас Янг провел свой эксперимент. Он позволил свету проходить через щель в барьере, чтобы он расширялся в волновых фронтах от этой щели как источник света (под Принцип Гюйгенса). Этот свет, в свою очередь, проходил через пару щелей в другом барьере (аккуратно расположенном на правильном расстоянии от первоначальной щели). Каждая щель, в свою очередь, рассеивала свет, как если бы они были также отдельными источниками света. Свет воздействовал на экран наблюдения. Это показано справа.

Когда была открыта одна щель, она просто воздействовала на экран наблюдения с большей интенсивностью в центре, а затем исчезала, когда вы удалялись от центра. Есть два возможных результата этого эксперимента:

Интерпретация частиц: Если свет существует в виде частиц, интенсивность обеих щелей будет суммой интенсивности от отдельных щелей.

Волновая интерпретация: Если свет существует в виде волн, световые волны будут иметь вмешательство по принципу суперпозициисоздание полос света (конструктивное вмешательство) и темноты (разрушительное вмешательство).

Когда был проведен эксперимент, световые волны действительно показали эти интерференционные картины. Третье изображение, которое вы можете просмотреть, - это график интенсивности с точки зрения положения, который соответствует прогнозам по помехам.

В то время это, казалось, убедительно доказывало, что свет распространялся волнами, вызывая оживление в волновой теории света Гюйгена, которая включала невидимую среду, эфир, по которому распространялись волны. Несколько экспериментов в течение 1800-х годов, в первую очередь знаменитых Эксперимент Майкельсона-Морли, попытался обнаружить эфир или его эффекты напрямую.

Все они потерпели неудачу, и столетие спустя работа Эйнштейна в фотоэлектрический эффект и относительность привела к тому, что эфир больше не нужен для объяснения поведения света. Снова теория света частиц взяла верх.

Тем не менее, когда-то фотон возникла теория света, заявив, что свет движется только дискретными квантами, и возник вопрос, каким образом эти результаты возможны. За прошедшие годы физики взяли этот базовый эксперимент и исследовали его несколькими способами.

В начале 1900-х годов оставался вопрос о том, как свет - который теперь признан распространяющимся в виде «пучков» частиц Квантованная энергия, называемая фотонами, благодаря объяснению Эйнштейна фотоэлектрического эффекта - также может демонстрировать поведение волн. Конечно, связка атомов воды (частиц), действуя вместе, образует волны. Может быть, это было что-то похожее.

Стало возможным иметь источник света, который был настроен так, чтобы он излучал один фотон за один раз. Это было бы буквально, как бросать микроскопические шарикоподшипники через щели. Установив экран, который был достаточно чувствительным для обнаружения одного фотона, вы могли определить, были ли в этом случае интерференционные паттерны или нет.

Один из способов сделать это - настроить чувствительную пленку и провести эксперимент в течение определенного периода времени, а затем посмотреть на пленку, чтобы увидеть, как выглядит картина света на экране. Именно такой эксперимент был проведен, и фактически он идентичен версии Юнга - чередование светлых и темных полос, по-видимому, в результате интерференции волн.

Этот результат как подтверждает, так и ставит в тупик волновую теорию. В этом случае фотоны испускаются индивидуально. В буквальном смысле нет возможности для волновой интерференции, потому что каждый фотон может проходить только одну щель за раз. Но волновая интерференция наблюдается. Как это возможно? Ну, попытка ответить на этот вопрос породила много интригующих интерпретаций квантовая физикаот копенгагенской интерпретации до интерпретации многих миров.

Теперь предположим, что вы проводите тот же эксперимент с одним изменением. Вы размещаете детектор, который может определить, проходит ли фотон через заданную щель. Если мы знаем, что фотон проходит через одну щель, то он не может пройти через другую щель, чтобы мешать себе.

Оказывается, когда вы добавляете детектор, полосы исчезают. Вы выполняете точно такой же эксперимент, но только добавляете простое измерение на более ранней стадии, и результат эксперимента резко меняется.

Что-то в акте измерения, какая щель используется, полностью удаляет волновой элемент. В этот момент фотоны действовали точно так, как мы ожидали, что частица будет вести себя. Сама неопределенность в положении как-то связана с проявлением волновых эффектов.

На протяжении многих лет эксперимент проводился различными способами. В 1961 году Клаус Йонссон провел эксперимент с электронами, и он соответствовал поведению Юнга, создавая интерференционные картины на экране наблюдения. Версия эксперимента Йонссона была признана "самым красивым экспериментом" Мир Физики читатели в 2002 году.

В 1974 году технология смогла выполнить эксперимент, выпустив один электрон за один раз. Снова, интерференционные картины обнаружились. Но когда детектор помещается в щель, помехи снова исчезают. Эксперимент был снова проведен в 1989 году японской командой, которая смогла использовать гораздо более совершенное оборудование.

Эксперимент был выполнен с фотонами, электронами и атомами, и каждый раз один и тот же результат становится очевидным - что-то об измерении положения частицы на щели удаляет волну поведение. Существует множество теорий, объясняющих почему, но пока многое из этого остается гипотезой.