Eksperiment dvostrukog proreza Thomas Young

Kroz devetnaesto stoljeće, fizičari su imali konsenzus da se svjetlost ponašala poput vala, velikim dijelom zahvaljujući poznatom eksperimentu s dvostrukim prorezom koji je izveo Thomas Young. Vođeni spoznajama iz eksperimenta, i valnim svojstvima koja je demonstrirao, stoljeće fizičari su tražili medij kroz koji je svjetlost lutala, svjetlosni eter. Iako je eksperiment najistaknutiji sa svjetlošću, činjenica je da se ovakav eksperiment može izvesti s bilo kojom vrstom valova, poput vode. Za sada ćemo se, međutim, fokusirati na ponašanje svjetlosti.

Početkom 1800-ih (1801 do 1805, ovisno o izvoru), Thomas Young je izveo svoj eksperiment. Dopustio je da svjetlost prođe kroz prorez u barijeri, tako da se proširila valovitim frontovima iz tog proreza kao izvor svjetlosti (pod Huygensovo načelo). Ta je svjetlost, zauzvrat, prošla kroz par proreza u drugoj barijeri (pažljivo postavljena na pravoj udaljenosti od prvobitnog proreza). Svaki prorez, zauzvrat, razlivao je svjetlost kao da su također pojedinačni izvori svjetlosti. Svjetlo je utjecalo na zaslon promatranja. To je prikazano desno.

Kad se otvorio ijedan prorez, samo je utjecao na zaslon promatranja većim intenzitetom u središtu, a zatim izblijedio dok ste se udaljavali od središta. Postoje dva moguća rezultata ovog eksperimenta:

Tumačenje čestica: Ako svjetlost postoji kao čestice, intenzitet oba proreza bit će zbroj intenziteta pojedinih proreza.

Tumačenje valova: Ako svjetlost postoji kao valovi, svjetlosni valovi će imati interferencija po principu superpozicije, stvarajući pojaseve svjetlosti (konstruktivne smetnje) i tamnog (destruktivne smetnje).

Kada je proveden eksperiment, svjetlosni valovi zaista su pokazali ove obrasce smetnji. Treća slika koju možete vidjeti je grafikon intenziteta u smislu položaja, koji se podudara s predviđanjima smetnji.

U to se vrijeme činilo da u potpunosti dokazuje da je svjetlost putovala u valovima, uzrokujući revitalizaciju Huygenove valne teorije svjetlosti, koja je uključivala nevidljivi medij, eter, kroz koji su se valovi proširili. Nekoliko pokusa tijekom 1800-ih, od kojih je najpoznatiji bio glasovit Michelson-Morley eksperiment, pokušali izravno otkriti eter ili njegove učinke.

Svi su propali i stoljeće kasnije Einsteinovo djelo u fotoelektrični učinak a relativnost je rezultirala da eteru više nije potrebno objašnjavati svjetlosno ponašanje. Opet je teorija čestica svjetlosti prevladala.

Ipak, jednom foton nastala teorija svjetlosti, rekavši da se svjetlost kreće samo u diskretnim kvantama, postajalo je pitanje kako su ovi rezultati mogući. Tijekom godina, fizičari su izveli ovaj osnovni eksperiment i istražili su ga na više načina.

Početkom 1900-ih ostajalo je pitanje koliko svjetla - što je sada bilo poznato da putuju u "snopovima" sličnim česticama kvantizirana energija, koja se naziva fotoni, zahvaljujući Einsteinovom objašnjenju fotoelektričnog efekta - također bi mogla pokazati ponašanje valova. Svakako, hrpa vodenih atoma (čestica) kada djeluju zajedno, formiraju valove. Možda je ovo bilo nešto slično.

Postalo je moguće imati izvor svjetla koji je postavljen tako da emitira po jedan foton. To bi bilo, doslovno, poput bacanja mikroskopskih kugličnih ležajeva kroz proreze. Postavljanjem zaslona koji je bio dovoljno osjetljiv za otkrivanje jednog fotona, mogli biste utvrditi postoje li u ovom slučaju obrasci smetnji ili nisu.

Jedan od načina za to je postavljanje osjetljivog filma i pokretanje eksperimenta tijekom određenog vremenskog razdoblja, a zatim pogledajte film da biste vidjeli kakav je uzorak svjetlosti na ekranu. Upravo je takav eksperiment izveden i, zapravo, identično se podudarao s Youngovom verzijom - naizmjeničnim svjetlosnim i tamnim pojasevima, naizgled proizašlim iz valnih smetnji.

Ovaj rezultat potvrđuje i zbunjuje valnu teoriju. U ovom se slučaju fotoni emitiraju pojedinačno. Doslovno nema načina da se dogodi smetnja u valovima jer svaki foton može prolaziti samo kroz jedan prorez istodobno. Ali opaža se smetnja valova. Kako je ovo moguće? Pa, pokušaj odgovora na to pitanje pokrenuo je mnoge intrigantne interpretacije kvantna fizika, od kopenhagenske interpretacije do interpretacije u mnogim svjetovima.

Sad pretpostavite da provodite isti eksperiment, s jednom izmjenom. Postavljate detektor koji može odrediti prolazi li foton kroz određeni prorez ili ne. Ako znamo da foton prolazi kroz jedan prorez, onda ne može proći kroz drugi prorez da bi se miješao u sebe.

Ispada da kad dodate detektor, trake nestaju. Izvodite potpuno isti eksperiment, ali dodate samo jednostavno mjerenje u ranijoj fazi, a rezultat eksperimenta se drastično mijenja.

Nešto u vezi s činom mjerenja koji se prorez koristi uklonio je valni element u potpunosti. U ovom su trenutku fotoni djelovali točno onako kako smo očekivali da se čestica ponaša. Sama nesigurnost u položaju povezana je, nekako, s očitovanjem valnih efekata.

Tijekom godina, eksperiment se provodio na više različitih načina. Godine 1961. Claus Jonsson izveo je eksperiment s elektronima, što je u skladu s Youngovim ponašanjem, stvarajući uzorke smetnji na promatranom ekranu. Jonssonova verzija eksperimenta proglašena je za "najljepši eksperiment" Svijet fizike čitatelji 2002.

1974. tehnologija je postala u stanju izvesti eksperiment otpuštajući pojedinačni elektron. Opet su se pojavili uzorci smetnji. Ali kad se detektor postavi na prorez, smetnja opet nestaje. Eksperiment je 1989. godine ponovno izveo japanski tim koji je mogao koristiti mnogo rafiniraniju opremu.

Eksperiment je izveden s fotonima, elektronima i atomima, i svaki put s istim rezultatom postaje očito - nešto o mjerenju položaja čestice na prorezu uklanja val ponašanje. Postoje mnoge teorije koje objašnjavaju zašto, ali za sada je većina toga samo pretpostavka.