Το πείραμα Double Young Slit του Thomas Young

Κατά τη διάρκεια του δέκατου ένατου αιώνα, οι φυσικοί είχαν συναίνεση ότι το φως συμπεριφέρθηκε σαν κύμα, σε μεγάλο βαθμό χάρη στο περίφημο πείραμα διπλής σχισμής του Thomas Young. Με γνώμονα τις ιδέες από το πείραμα και τις ιδιότητες των κυμάτων που έδειξε, ένας αιώνας φυσικών αναζητούσε το μέσο μέσα από το οποίο το φως κυλούσε, το φωτεινό αιθέρα. Αν και το πείραμα είναι πιο αξιοσημείωτο με το φως, το γεγονός είναι ότι αυτό το είδος πειράματος μπορεί να πραγματοποιηθεί με οποιοδήποτε τύπο κύματος, όπως το νερό. Προς το παρόν, όμως, θα επικεντρωθούμε στη συμπεριφορά του φωτός.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1800 (1801-1805, ανάλογα με την πηγή), ο Thomas Young πραγματοποίησε το πείραμά του. Έδωσε τη δυνατότητα στο φως να περάσει μέσα από μια σχισμή σε ένα φράγμα, έτσι ώστε να επεκταθεί σε κύματα από την σχισμή αυτή ως πηγή φωτός (κάτω από Αρχή Huygens). Αυτό το φως, με τη σειρά του, πέρασε από το ζεύγος των σχισμών σε άλλο φράγμα (τοποθετείται προσεκτικά η σωστή απόσταση από την αρχική σχισμή). Κάθε σχισμή, με τη σειρά της, διάθλασε το φως σαν να ήταν και μεμονωμένες πηγές φωτός. Το φως έπληξε μια οθόνη παρατήρησης. Αυτό φαίνεται δεξιά.

Όταν ήταν ανοιχτή μία σχισμή, απλώς έπληξε την οθόνη παρατήρησης με μεγαλύτερη ένταση στο κέντρο και στη συνέχεια ξεθωριάστηκε καθώς απομακρύνεστε από το κέντρο. Υπάρχουν δύο πιθανά αποτελέσματα αυτού του πειράματος:

Παρουσίαση σωματιδίων: Εάν το φως υπάρχει ως σωματίδια, η ένταση και των δύο σχισμών θα είναι το άθροισμα της έντασης από τις μεμονωμένες σχισμές.

Wave interpretation: Εάν το φως υπάρχει ως κύματα, τα φως κύματα θα έχουν παρέμβαση σύμφωνα με την αρχή της υπερβολής, δημιουργώντας ζώνες φωτός (εποικοδομητικές παρεμβολές) και σκοτεινές (καταστροφικές παρεμβολές).

Όταν το πείραμα διεξήχθη, τα φωτεινά κύματα έδειξαν πράγματι αυτά τα πρότυπα παρεμβολής. Μια τρίτη εικόνα που μπορείτε να δείτε είναι ένα γράφημα της έντασης από την άποψη της θέσης, το οποίο ταιριάζει με τις προβλέψεις από παρεμβολές.

Εκείνη την εποχή, φαινόταν να αποδεικνύει με βεβαιότητα ότι το φως ταξίδευε σε κύματα προκαλώντας μια αναζωογόνηση στη θεωρία του φωτός του Huygen, η οποία περιελάμβανε ένα αόρατο μέσο, αιθέρας, μέσω των οποίων τα κύματα πολλαπλασιάστηκαν. Αρκετά πειράματα σε όλη τη δεκαετία του 1800, κυρίως τα φημισμένα Michelson-Morley πείραμα, προσπάθησε να ανιχνεύσει απευθείας τον αιθέρα ή τα αποτελέσματά του.

Όλοι απέτυχαν και έναν αιώνα αργότερα, το έργο του Αϊνστάιν στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και η σχετικότητα κατέληξαν στο ότι ο αιθέρας δεν ήταν πλέον απαραίτητος για να εξηγήσει τη συμπεριφορά του φωτός. Και πάλι μια θεωρία του σωματιδίου του φωτός πήρε την κυριαρχία.

Ακόμα, μια φορά το φωτόνιο η θεωρία του φωτός προέκυψε, λέγοντας ότι το φως κινήθηκε μόνο σε διακριτά ποσοστά, το ερώτημα έγινε πώς αυτά τα αποτελέσματα ήταν δυνατά. Με τα χρόνια, οι φυσικοί έχουν κάνει αυτό το βασικό πείραμα και το έχουν διερευνήσει με διάφορους τρόπους.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1900, το ερώτημα παρέμεινε το πώς το φως - το οποίο τώρα αναγνωριζόταν να ταξιδεύει σε σωματίδια-όπως "δέσμες" η κβαντισμένη ενέργεια, που ονομάζεται φωτόνιο, χάρη στην εξήγηση του Einstein για το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα - θα μπορούσε επίσης να παρουσιάσει τη συμπεριφορά των κυμάτων. Βεβαίως, ένα σωρό άτομα νερού (σωματίδια) όταν δρουν μαζί σχηματίζουν κύματα. Ίσως ήταν κάτι παρόμοιο.

Έγινε δυνατή η ύπαρξη μιας πηγής φωτός που δημιουργήθηκε έτσι ώστε να εκπέμπει ένα φωτόνιο κάθε φορά. Αυτό θα ήταν, κυριολεκτικά, σαν να εκτοξεύεις μικροσκοπικά ρουλεμάν μέσω των σχισμών. Με τη δημιουργία μιας οθόνης που ήταν αρκετά ευαίσθητη για να ανιχνεύσει ένα μόνο φωτόνιο, θα μπορούσατε να προσδιορίσετε εάν υπήρχαν ή δεν υπήρχαν πρότυπα παρεμβολών στην περίπτωση αυτή.

Ένας τρόπος για να το κάνετε αυτό είναι να δημιουργήσετε μια ευαίσθητη ταινία και να εκτελέσετε το πείραμα σε μια χρονική περίοδο, στη συνέχεια, κοιτάξτε την ταινία για να δείτε ποιο είναι το μοτίβο του φωτός στην οθόνη. Ακριβώς ένα τέτοιο πείραμα εκτελέστηκε και, στην πραγματικότητα, ταιριάζει ταυτόχρονα με την έκδοση του Young - εναλλασσόμενο φως και σκοτεινές ζώνες, που φαινομενικά προκύπτουν από παρεμβολές κυμάτων.

Αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαιώνει και αμφισβητεί τη θεωρία των κυμάτων. Σε αυτή την περίπτωση, τα φωτόνια εκπέμπονται μεμονωμένα. Δεν υπάρχει κυριολεκτικά κανένας τρόπος για να υπάρξει παρέμβαση κυμάτων επειδή κάθε φωτόνιο μπορεί να περάσει μόνο από μία σχισμή τη φορά. Αλλά παρατηρείται η παρεμβολή κύματος. Πώς είναι αυτό δυνατόν? Λοιπόν, η προσπάθεια να απαντηθεί η ερώτηση αυτή έχει δημιουργήσει πολλές ενδιαφέρουσες ερμηνείες κβαντική φυσική, από την ερμηνεία της Κοπεγχάγης έως την ερμηνεία πολλών κόσμων.

Τώρα υποθέστε ότι διεξάγετε το ίδιο πείραμα, με μία αλλαγή. Τοποθετείτε έναν ανιχνευτή που μπορεί να πει εάν το φωτόνιο περνάει μέσα από μια συγκεκριμένη σχισμή. Εάν γνωρίζουμε ότι το φωτόνιο διέρχεται από μία σχισμή, τότε δεν μπορεί να περάσει από την άλλη σχισμή για να παρεμβαίνει στον εαυτό της.

Αποδεικνύεται ότι όταν προσθέσετε τον ανιχνευτή, οι ζώνες εξαφανίζονται. Εκτελείτε το ίδιο ακριβώς πείραμα, αλλά προσθέτετε μόνο μια απλή μέτρηση σε μια προηγούμενη φάση και το αποτέλεσμα του πειράματος αλλάζει δραστικά.

Κάτι για την πράξη μέτρησης της σχισμής που χρησιμοποιήθηκε αφαιρεί πλήρως το κύμα. Σε αυτό το σημείο, τα φωτόνια λειτουργούσαν ακριβώς όπως θα περιμέναμε να συμπεριφέρεται ένα σωματίδιο. Η ίδια η αβεβαιότητα στη θέση σχετίζεται, κατά κάποιον τρόπο, με την εκδήλωση κυματικών επιδράσεων.

Με τα χρόνια, το πείραμα διεξήχθη με διάφορους τρόπους. Το 1961, ο Claus Jonsson πραγματοποίησε το πείραμα με ηλεκτρόνια και συμμορφώθηκε με τη συμπεριφορά του Young, δημιουργώντας σχέδια παρεμβολής στην οθόνη παρατήρησης. Η έκδοση του Jonsson για το πείραμα ψηφίστηκε ως "το πιο όμορφο πείραμα" από το Φυσικό κόσμο αναγνώστες το 2002.

Το 1974, η τεχνολογία άρχισε να εκτελεί το πείραμα απελευθερώνοντας ένα μόνο ηλεκτρόνιο τη φορά. Και πάλι, τα πρότυπα παρεμβολής εμφανίστηκαν. Αλλά όταν τοποθετείται ένας ανιχνευτής στην σχισμή, η παρεμβολή εξαφανίζεται για άλλη μια φορά. Το πείραμα έγινε και πάλι το 1989 από ιαπωνική ομάδα που κατάφερε να χρησιμοποιήσει πολύ πιο εκλεπτυσμένο εξοπλισμό.

Το πείραμα εκτελέστηκε με φωτόνια, ηλεκτρόνια και άτομα και κάθε φορά το ίδιο αποτέλεσμα γίνεται εμφανές - κάτι για τη μέτρηση της θέσης του σωματιδίου στην σχισμή απομακρύνει το κύμα η ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ. Πολλές θεωρίες υπάρχουν για να εξηγήσουν γιατί, αλλά μέχρι στιγμής ένα μεγάλο μέρος της εξακολουθεί να είναι εικασίες.