Експеримент са двоструким прорезом Тхомас Иоунг

Кроз деветнаести век, физичари су имали консензус да се светлост понашала попут таласа, великим делом захваљујући чувеном експерименту са двоструким прорезом који је извео Тхомас Иоунг. Вођени увидима у експерименту и таласним својствима које је показао, век физичара тражио је медиј кроз који је светла таласала, светлосни етар. Иако је експеримент најистакнутији са светлошћу, чињеница је да се овакав експеримент може извести са било којом врстом таласа, попут воде. За сада ћемо се фокусирати на понашање светлости.

Почетком 1800-их (1801 до 1805, зависно од извора), Тхомас Иоунг је спровео свој експеримент. Допустио је да светлост прође кроз прорез у баријери, тако да се проширила таласним фронтовима из тог прореза као извор светлости (испод Хуигенсов принцип). Та светлост је заузврат пролазила кроз пар прореза у другој баријери (пажљиво постављена на правој удаљености од првобитног прореза). Сваки прорез, заузврат, разливао је светлост као да су такође појединачни извори светлости. Светло је утицало на екран за посматрање. Ово је приказано десно.

Када се отворио један прорез, само је ударио у заслон посматрања већим интензитетом у средишту, а затим изблиједио док сте се удаљавали од центра. Постоје два могућа резултата овог експеримента:

Интерпретација честица: Ако светлост постоји као честице, интензитет обе прорезе ће бити збир интензитета појединачних прореза.

Тумачење таласа: Ако светлост постоји као таласи, имаће и светлосни талас мешање по принципу суперпозиције, стварајући светлосне појаве (конструктивне сметње) и тамне (деструктивне сметње).

Када је спроведен експеримент, светлосни таласи су заиста показали ове обрасце интерференције. Трећа слика коју можете прегледати је графикон интензитета у смислу положаја, који се подудара са предвиђањима сметњи.

У то се време чинило да убедљиво доказује да је светлост путовала у таласима, узрокујући ревитализацију Хуигенове таласне теорије светлости, која је укључивала невидљиви медиј, етеркроз које су се ширили таласи. Неколико експеримената током 1800-их, од којих је најпознатији био гласовит Мицхелсон-Морлеи-ов експеримент, покушали директно да открију етер или његове ефекте.

Сви су пропали и век касније Еинстеиново дело у фотоелектрични ефекат а релативност је резултирала да етру више није потребно објашњавати понашање светлости. Опет је теорија честица светлости превладала.

Ипак, једном фотон настала је теорија светлости, рекавши да се светлост креће само у дискретним квантима, постало је питање како су ови резултати могући. Током година, физичари су извели овај основни експеримент и истражили су га на више начина.

Почетком 1900-их остало је питање колико светлост - за коју је сада познато да путује у "сноповима" сличним честицама квантизирана енергија, која се назива фотони, захваљујући Еинстеиновом објашњењу фотоелектричног ефекта - такође може показати понашање таласа. Свакако, гомила водених атома (честица) када делују заједно, формира таласе. Можда је ово било нешто слично.

Постало је могуће да постоји извор светлости који је постављен тако да емитује по један фотон. То би, буквално, било попут бацања микроскопских кугличних лежајева кроз прорезе. Постављањем екрана који је био довољно осетљив да детектује један фотон, могли бисте одредити да ли је у овом случају постојало или није било интерференцијалних образаца.

Један од начина за то је постављање осетљивог филма и покретање експеримента током одређеног времена, а затим погледајте филм да бисте видели који је облик светлости на екрану. Управо такав експеримент је изведен и у ствари је идентично одговарао Иоунгиној верзији - наизменичним светлосним и тамним тракама, наизглед произишлим из таласних сметњи.

Овај резултат потврђује и збуњује таласну теорију. У овом случају, фотони се емитују појединачно. Дословно нема начина да се догоди таласна сметња јер сваки фотон може пролазити само кроз један прорез истовремено. Али примећује се таласно ометање. Како је то могуће? Па, покушај одговора на то питање покренуо је многе интригантне интерпретације квантна физика, од копенхагенске интерпретације до интерпретације у многим световима.

Сада претпоставите да проводите исти експеримент, са једном променом. Постављате детектор који може рећи да ли фотон пролази кроз одређени прорез или не. Ако знамо да фотон пролази кроз један прорез, онда не може проћи кроз други прорез да се меша у себе.

Испада да када додате детектор, траке нестају. Изводите потпуно исти експеримент, али додајете само једноставно мерење у ранијој фази и резултат експеримента се драстично мења.

Нешто у вези са чином мерења који се прорез користи уклонио је таласни елемент у потпуности. У овом тренутку, фотони су дјеловали управо онако како смо очекивали да се честица понаша. Сама несигурност у положају повезана је, некако, с манифестацијом таласних ефеката.

Током година, експеримент је спроведен на много различитих начина. 1961. године, Цлаус Јонссон је извео експеримент са електронима, што је било у складу са Иоунговим понашањем, стварајући интерференцијске шаре на екрану посматрања. Јонссонова верзија експеримента проглашена је за "најлепши експеримент" Свет физике читаоци 2002.

1974. технологија је постала способна да изведе експеримент ослобађајући по један електрон. Поново су се појавили узорци сметњи. Али када се детектор постави на прорез, сметње поново нестају. Експеримент је 1989. године поново извео јапански тим који је могао да користи много више рафиниране опреме.

Експеримент је изведен са фотонима, електронима и атомима, и сваки пут исти резултат постаје очигледан - нешто о мерењу положаја честице на прорезу уклања талас понашање. Постоје многе теорије које објашњавају зашто, али за сада је већина њих претпоставка.