Thomas Youngin kaksoisrako-kokeilu

Fyysikoilla oli yhdeksännentoista vuosisadan ajan yksimielisyys siitä, että valo käyttäytyi kuin aalto, suurelta osin kuuluisan Thomas Youngin suorittaman kaksoisrakojen kokeen ansiosta. Kokeen havaintojen ja sen osoittamien aalto-ominaisuuksien ohjaama fyysikkojen vuosisata etsivät väliainetta, jonka läpi valo heilutti, valoisa eetteri. Vaikka kokeilu on merkittävin valolla, tosiasia on, että tällainen koe voidaan suorittaa minkä tahansa tyyppisillä aalloilla, kuten vedellä. Keskitymme kuitenkin toistaiseksi valon käyttäytymiseen.

1800-luvun alkupuolella (1801 - 1805, lähteestä riippuen), Thomas Young suoritti kokeilun. Hän päästi valon kulkemaan esteessä olevan raon läpi, joten se laajeni aallonrintamaksi tuosta raosta valonlähteenä (alle Huygensin periaate). Tämä valo puolestaan ​​kulki toisessa esteessä olevien rakojen parin läpi (aseta varovasti oikeaan etäisyyteen alkuperäisestä raosta). Jokainen rako puolestaan ​​hajotti valon ikään kuin ne olisivat myös yksittäisiä valonlähteitä. Valo vaikutti havaintoikkunaan. Tämä näkyy oikealla.

Kun yksi rako oli auki, se vain osui tarkkailuikkunaan voimakkaammin keskellä ja sitten haalistui, kun muutit pois keskustasta. Tästä kokeilusta on kaksi mahdollista tulosta:

Hiukkasten tulkinta: Jos valoa on hiukkasina, molempien rakojen intensiteetti on yksittäisten rakojen voimakkuuden summa.

Aaltotulkinta: Jos valoa esiintyy aaltoina, valoaalloilla on puuttuminen superposition periaatteeseen, luomalla valoalueita (rakentavia häiriöitä) ja tummia (tuhoisia häiriöitä).

Kokeen suoritettaessa valoaallot todellakin osoittivat nämä häiriökuviot. Kolmas kuva, jota voit tarkastella, on kuvaaja intensiteetistä suhteessa sijaintiin, joka vastaa häiriöiden ennusteita.

Tuolloin tämä näytti todistavan lopullisesti, että valo kulki aalloissa, aiheuttaen elvytystä Huygenin valoteoriassa, joka sisälsi näkymättömän väliaineen, eetteri, jonka läpi aallot etenivät. Useita kokeiluja 1800-luvun aikana, etenkin kuuluisa Michelson-Morley-koe, yritti havaita eetterin tai sen vaikutukset suoraan.

He kaikki epäonnistuivat ja vuosisataa myöhemmin, Einsteinin työ valosähköinen ilmiö ja suhteellisuusteoria johti siihen, että eetteriä ei enää tarvinnut selittää valon käyttäytymisestä. Jälleen valon hiukkasteoria sai hallitsevan aseman.

Silti kerran fotoni valoteoria syntyi sanomalla, että valo liikkui vain erillisinä kvantteina, kysymys tuli siitä, kuinka nämä tulokset olivat mahdollisia. Fyysikot ovat vuosien mittaan ottaneet tämän peruskokeen ja tutkineet sitä monin tavoin.

1900-luvun alkupuolella pysyi kysymys siitä, kuinka kevyt - joka tunnustettiin nyt liikkuvan hiukkasmaisissa "kimppuissa" kvantisoitu energia, nimeltään fotoneja, kiitos Einsteinin selityksen fotoelektrisestä vaikutuksesta - voisi myös osoittaa käyttäytymistä aaltojen. Varmasti joukko vesiatomeja (hiukkasia) yhdessä toimiessaan muodostaa aaltoja. Ehkä tämä oli jotain vastaavaa.

Oli mahdollista saada valonlähde, joka oli asennettu siten, että se säteili yhtä fotonia kerrallaan. Tämä olisi kirjaimellisesti kuin mikroskooppisten kuulalaakereiden heittäminen rakojen läpi. Asentamalla riittävän herkkä näyttö yhden fotonin havaitsemiseksi, voit selvittää, oliko tässä tapauksessa häiriökuvioita vai ei.

Yksi tapa tehdä tämä on asettaa herkkä elokuva ja suorittaa kokeilu tietyn ajanjakson ajan, katso sitten elokuvaa nähdäksesi, mikä näytön valokuvio on. Juuri tällainen koe tehtiin ja itse asiassa se vastasi Youngin versiota identtisesti - vuorottelevat vaaleat ja tummat kaistat, jotka näennäisesti johtuvat aaltohäiriöistä.

Tämä tulos sekä vahvistaa että hämmentää aalto-teoriaa. Tässä tapauksessa fotonit säteilytetään erikseen. Aallon häiriöitä ei kirjaimellisesti ole mahdollista, koska jokainen fotoni voi mennä vain yhden raon läpi kerrallaan. Mutta aaltohäiriöitä havaitaan. Kuinka tämä on mahdollista? No, yritys vastata tähän kysymykseen on saanut aikaan monia kiehtovia tulkintoja kvanttifysiikka, Kööpenhaminan tulkinnasta monien maailmojen tulkintaan.

Oletetaan nyt, että suoritat saman kokeilun yhdellä muutoksella. Laitat ilmaisimen, joka kertoo, kulkeeko fotoni tietyn raon läpi. Jos tiedämme, että fotoni kulkee yhden raon läpi, niin se ei voi kulkea toisen raon läpi häiritäkseen itseään.

Osoittautuu, että kun lisäät ilmaisimen, kaistat katoavat. Suoritat täsmälleen saman kokeilun, mutta lisäät vain yksinkertaisen mittauksen aikaisemmassa vaiheessa, ja kokeen tulos muuttuu huomattavasti.

Jokin käytetyn raon mittaamisesta poisti aaltoelementin kokonaan. Tässä vaiheessa fotonit toimivat täsmälleen kuten odotimme hiukkasen käyttäytyvän. Hyvin epävarma sijainti liittyy jotenkin aalto-ilmiöiden ilmenemiseen.

Vuosien mittaan kokeilu on suoritettu useilla eri tavoilla. Vuonna 1961 Claus Jonsson suoritti kokeilun elektronien kanssa, ja se oli sopusoinnussa Youngin käyttäytymisen kanssa luomalla häiriökuvioita havainnointiruudulle. Jonssonin kokeiluversio äänestettiin "kauneimmaksi kokeiluksi" Fysiikan maailma lukijoita vuonna 2002.

Vuonna 1974 tekniikka pystyi suorittamaan kokeen vapauttamalla yhden elektronin kerrallaan. Häiriökuviot taas näkyivät. Mutta kun ilmaisin asetetaan rakoon, häiriö häviää jälleen. Kokeen suoritti jälleen vuonna 1989 japanilainen joukkue, joka pystyi käyttämään paljon hienostuneempia laitteita.

Koe on suoritettu fotoneilla, elektronilla ja atomeilla, ja joka kerta sama tulos tulee ilmeiseksi - hiukkasen aseman mittaamisessa raossa poistetaan aalto käyttäytymistä. Monia teorioita on olemassa selittämään miksi, mutta toistaiseksi suurin osa siitä on silti olettamusta.