Свет ... это частица или волна? Какая фундаментальная механика управляет его поведением? И самое главное, изменяет ли это поведение сам акт наблюдения? Это загадка, которую квантовые физики ломали голову на протяжении многих веков, с тех пор, как была выдвинута теория фотонно-волновой механики и впервые был проведен эксперимент с двойной щелью.
Также известный как эксперимент Юнга, он включал пучки частиц или когерентные волны, проходящие через две близко расположенные щели, целью которых было измерить результирующие воздействия на экран позади них. В квантовой механике эксперимент с двумя щелями продемонстрировал неразделимость волновой и частичной природы света и других квантовых частиц.
Эксперимент по двойной прорези был впервые проведен Томасом Янгом еще в 1803 году, хотя сэр Исаак Ньютон, как говорят, проводил аналогичный эксперимент в свое время. Во время первоначальных экспериментов Ньютон осветил маленький волосок, тогда как Янг использовал карточку с разрезанной на ней щелью. Совсем недавно ученые использовали точечный источник света для освещения тонкой пластины с двумя параллельными прорезями, и свет, проходящий через прорези, попадает на экран позади них.
Опираясь на классическую теорию частиц, результаты эксперимента должны были соответствовать щелям, удары по экрану проявлялись двумя вертикальными линиями. Однако это был не тот случай. Результаты показали во многих обстоятельствах паттерн помех, который мог возникнуть только при наличии волновых паттернов.
Классические частицы не мешают друг другу; они просто сталкиваются. Если классические частицы запускаются по прямой линии через щель, они все будут ударять по экрану по шаблону того же размера и формы, что и щель. Там, где есть два открытых разреза, результирующий шаблон будет просто суммой двух шаблонов с одним разрезом (две вертикальные линии). Но снова и снова эксперимент показал, что когерентные лучи света мешают друг другу, создавая рисунок ярких и темных полос на экране.
Однако было обнаружено, что полосы на экране всегда поглощаются, как если бы он состоял из дискретных частиц (или фотонов). Чтобы еще больше запутать ситуацию, были установлены измерительные приборы для наблюдения фотонов, проходящих через щели. Когда это было сделано, фотоны появились в форме частиц, и их воздействие на экран соответствовало щелям, крошечным пятнам размером с частицы, распределенным по прямым вертикальным линиям.
Поместив устройство наблюдения на место, волновая функция фотонов рухнула, и свет снова стал классической частицей! Эту проблему можно решить, только утверждая, что свет ведет себя как частица и волна, и что наблюдение за ними приводит к тому, что диапазон поведенческих возможностей сужается до такой степени, что их поведение снова становится предсказуемым.
Эксперимент «Двойная щель» не только дал начало теории фотонов о волновой частице, но также позволил ученым осознать невероятный, запутанный мир квантовой механики, где ничто не предсказуемо, все относительно, а наблюдатель больше не является пассивным субъектом. , но активный участник с возможностью изменить результат. Для анимационной демонстрации эксперимента «Двойная щель» нажмите здесь.
Мы написали много статей об эксперименте с двумя щелями для космического журнала. Вот дискуссия на форуме о самодельном эксперименте с двумя щелями, и вот статья о дуальности волновых частиц.
Если вам нужна дополнительная информация об эксперименте с двумя щелями, ознакомьтесь с этими статьями на Physorg.com и Space.com.
Мы также записали целый эпизод Astronomy Cast, посвященный квантовой механике. Послушайте, Эпизод 138: Квантовая Механика.
