Experiența dublă fanta a lui Thomas Young

De-a lungul secolului al XIX-lea, fizicienii au avut un consens potrivit căruia lumina s-a comportat ca un val, în mare parte datorită celebrului experiment cu fanta dublă, realizat de Thomas Young. Motivat de ideile experimentului și de proprietățile valului pe care le-a demonstrat, un secol de fizicieni a căutat mediul prin care se unduia lumina, eter luminos. Deși experimentul este cel mai notabil cu lumina, cert este că acest tip de experiment poate fi realizat cu orice tip de undă, cum ar fi apa. Pentru moment, însă, ne vom concentra asupra comportamentului luminii.

La începutul anilor 1800 (1801 - 1805, în funcție de sursă), Thomas Young a condus experimentul său. El a permis luminii să treacă printr-o fanta într-o barieră, astfel încât să se extindă pe fronturile de undă din fanta respectivă ca sursă de lumină (sub Principiul lui Huygens). Această lumină, la rândul ei, a trecut prin perechea de fante într-o altă barieră (așezată cu atenție distanța corectă de fanta inițială). Fiecare fanta, la rândul său, a distras lumina ca și cum ar fi și surse individuale de lumină. Lumina a afectat un ecran de observare. Acest lucru este arătat în dreapta.

Când s-a deschis o singură fanta, aceasta a afectat doar ecranul de observare cu o intensitate mai mare în centru și apoi s-a estompat în timp ce vă îndepărtați de centru. Există două rezultate posibile ale acestui experiment:

Interpretarea particulelor: Dacă lumina există ca particule, intensitatea ambelor fante va fi suma intensității din fante individuale.

Interpretarea valurilor: Dacă lumina există ca valuri, undele de lumină vor avea interferență sub principiul superpoziției, creând benzi de lumină (interferență constructivă) și întuneric (interferență distructivă).

Când s-a desfășurat experimentul, undele de lumină au prezentat într-adevăr aceste tipare de interferență. O a treia imagine pe care o puteți vizualiza este un grafic al intensității din punct de vedere al poziției, care se potrivește cu predicțiile de la interferențe.

La vremea respectivă, acest lucru părea să dovedească în mod concludent că lumina călătorea în valuri, provocând o revitalizare în teoria undelor lui Huygen a luminii, care includea un mediu invizibil, eter, prin care se propagau valurile. Câteva experimente de-a lungul anilor 1800, în special cele faimoase Experiment Michelson-Morley, a încercat să detecteze eterul sau efectele sale direct.

Toate au eșuat și un secol mai târziu, lucrarea lui Einstein în efect fotoelectric iar relativitatea a condus la faptul că eterul nu mai era necesar pentru a explica comportamentul luminii. Din nou, o teorie a particulelor a luminii a dominat.

Totuși, odată foton a apărut teoria luminii, spunând că lumina s-a mișcat doar în discordanta, întrebarea a devenit modul în care aceste rezultate au fost posibile. De-a lungul anilor, fizicienii au luat acest experiment de bază și l-au explorat în mai multe feluri.

La începutul anilor 1900, întrebarea a rămas cât de ușoară - care acum era recunoscută să călătorească în „mănunchiuri” de particule energia cuantificată, numită fotoni, datorită explicației Einstein a efectului fotoelectric - ar putea de asemenea să prezinte comportamentul de valuri. Cu siguranță, o grămadă de atomi de apă (particule) când acționează împreună formează valuri. Poate că a fost ceva similar.

A devenit posibil să existe o sursă de lumină care a fost configurată astfel încât să emită un foton la un moment dat. Acest lucru ar fi, literalmente, ca niște rulmenți cu bile microscopice care se aruncă prin fante. Prin configurarea unui ecran suficient de sensibil pentru a detecta un singur foton, puteți determina dacă în acest caz există sau nu modele de interferență.

Un mod de a face acest lucru este să aveți un film sensibil configurat și să rulați experimentul pe o perioadă de timp, apoi priviți filmul pentru a vedea care este modelul de lumină de pe ecran. Tocmai un astfel de experiment a fost efectuat și, de fapt, s-a potrivit cu versiunea lui Young în mod identic - alternând benzi de lumină și întuneric, aparent rezultate din interferențele valurilor.

Acest rezultat confirmă și dezamăgește teoria valurilor. În acest caz, fotonii sunt emisiți individual. În mod literal, nu există nicio modalitate de interferență a undelor, deoarece fiecare foton poate trece printr-o singură fanta la un moment dat. Dar se observă interferența valurilor. Cum este posibil acest lucru? Ei bine, încercarea de a răspunde la această întrebare a generat multe interpretări interesante fizică cuantică, de la interpretarea de la Copenhaga la interpretarea multor lumi.

Acum presupunem că efectuați același experiment, cu o singură modificare. Plasați un detector care vă poate spune dacă fotonul trece sau nu printr-o fanta dată. Dacă știm că fotonul trece printr-o fanta, atunci nu poate trece prin cealaltă fanta pentru a interfera cu sine.

Se dovedește că atunci când adăugați detectorul, benzile dispar. Efectuați același experiment, dar adăugați doar o măsurare simplă într-o fază anterioară, iar rezultatul experimentului se schimbă drastic.

Ceva despre actul de a măsura ce fanta este folosită a eliminat complet elementul de undă. În acest moment fotonii au acționat exact așa cum ne-am aștepta să se comporte o particulă. Incertitudinea în poziție este legată, cumva, de manifestarea efectelor valurilor.

De-a lungul anilor, experimentul a fost realizat în mai multe moduri diferite. În 1961, Claus Jonsson a efectuat experimentul cu electroni și s-a conformat comportamentului lui Young, creând modele de interferențe pe ecranul de observație. Versiunea experimentului de către Jonsson a fost votată „cel mai frumos experiment” de Lumea fizicii cititori în 2002.

În 1974, tehnologia a devenit capabilă să efectueze experimentul prin eliberarea unui singur electron la un moment dat. Din nou, modelele de interferență au apărut. Dar când un detector este plasat la fanta, interferența dispare din nou. Experimentul a fost din nou realizat în 1989 de o echipă japoneză care a fost capabilă să folosească echipamente mult mai rafinate.

Experimentul a fost realizat cu fotoni, electroni și atomi și de fiecare dată același rezultat devine evident - ceva despre măsurarea poziției particulei la fanta îndepărtează unda comportament. Există multe teorii pentru a explica de ce, dar până în prezent, o mare parte din ea este încă conjectură.