Young's Double Slit Experiment

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. Impulsat de perspectivele experimentului și de proprietățile valului pe care le-a demonstrat, un secol de fizicieni a căutat mediul prin care se unduia lumina, eterul 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.

Ce a fost experimentul?

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 s-a extins pe fronturile de undă din fanta respectivă ca sursă de lumină (conform principiului 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 ei, 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 o singură fanta a fost deschisă, a afectat doar ecranul de observare cu o intensitate mai mare în centru și apoi a decăzut 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 unde, undele de lumină vor avea interferențe 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.

Impactul experimentului lui Young

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

Toate au eșuat și un secol mai târziu, opera lui Einstein în ceea ce privește efectul fotoelectric și relativitatea a dus la faptul că eterul nu mai este necesar pentru a explica comportamentul luminii. Din nou, o teorie a particulelor a luminii a dominat.

Extinderea experimentului cu fanta dublă

Cu toate acestea, odată ce teoria fotonului a luminii a apărut, spunând că lumina se mișca doar în quanta discretă, întrebarea a devenit cum au fost posibile aceste rezultate. 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 cum lumina, care acum era recunoscută să călătorească în „mănunchiuri” de particule, de energie cuantificată, numite fotoni, grație explicației Einstein a efectului fotoelectric - ar putea să prezinte și comportamentul undelor. Cu siguranță, o grămadă de atomi de apă (particule) când acționează împreună formează valuri. Poate că a fost ceva similar.

Un foton la un moment dat

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.

O modalitate 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 asortat identic cu versiunea lui Young - alternând benzi de lumină și întuneric, aparent rezultate din interferența 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 intrigante ale fizicii cuantice, de la interpretarea de la Copenhaga la interpretarea multor lumi.

Este chiar străin

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.