Pokus Thomase Younga o dvojitou štěrbinu

Během devatenáctého století měli fyzici konsenzus, že se světlo chovalo jako vlna, z velké části díky slavnému experimentu s dvojitou štěrbinou, který provedl Thomas Young. Na základě poznatků z experimentu a vlnových vlastností, které demonstroval, sto fyziků hledalo médium, skrz které máválo světlo, světelný ether. Ačkoli experiment je nejvíce pozoruhodný světlem, faktem je, že tento druh experimentu lze provádět s jakýmkoli typem vlny, jako je voda. Prozatím se však zaměříme na chování světla.

V časných 1800s (1801 k 1805, se spoléhat na zdroj), Thomas Young řídil jeho experiment. Nechal světlo projít štěrbinou v bariéře, takže se rozšířilo ve frontách vln z této štěrbiny jako zdroj světla (pod Huygensův princip). Toto světlo zase prošlo párem štěrbin v další bariéře (pečlivě umístěné v správné vzdálenosti od původní štěrbiny). Každá štěrbina zase rozptylovala světlo, jako by to byly také individuální zdroje světla. Světlo dopadlo na pozorovací obrazovku. Toto je zobrazeno napravo.

Když byla otevřena jediná štěrbina, zasáhla pouze pozorovací obrazovku s větší intenzitou ve středu a poté, když jste se vzdálili od středu, vybledla. Tento experiment má dva možné výsledky:

Interpretace částic: Pokud existuje světlo jako částice, bude intenzita obou štěrbin součtem intenzity z jednotlivých štěrbin.

Vlnová interpretace: Pokud existuje světlo jako vlny, budou mít světelné vlny interference na principu superpozice, vytváření pásů světla (konstruktivní rušení) a tmy (destruktivní rušení).

Když byl experiment prováděn, světelné vlny skutečně vykazovaly tyto interferenční vzorce. Třetím obrázkem, který si můžete prohlédnout, je graf intenzity z hlediska polohy, který odpovídá předpovědím z rušení.

V té době se zdálo, že to přesvědčivě dokazuje, že světlo putovalo ve vlnách, což způsobilo revitalizaci Huygenovy vlnové teorie světla, která obsahovala neviditelné médium, éter, skrze které se vlny šířily. Několik experimentů v 1800s, nejvíce slavný Michelson-Morleyův experiment, pokusil se přímo detekovat éter nebo jeho účinky.

Všichni selhali a o století později Einsteinova práce v fotoelektrický efekt a relativita vedla k tomu, že éter již není třeba vysvětlovat chování světla. Opět dominovala částečná teorie světla.

Stále, jednou foton vznikla teorie světla, která říkala, že se světlo pohybovalo pouze v diskrétní kvantě, otázkou byla, jak byly tyto výsledky možné. V průběhu let fyzici tento základní experiment provedli a prozkoumali jej mnoha způsoby.

Na počátku 20. století zůstávala otázka, jak světlo - které bylo nyní známo, že cestuje v částečkách podobných svazků kvantifikovaná energie, zvaná fotony, díky Einsteinově vysvětlení fotoelektrického efektu - mohla také projevit chování vln. Jistě, svazek vodních atomů (částic) při vzájemném působení vytváří vlny. Možná to bylo něco podobného.

Bylo možné mít zdroj světla, který byl nastaven tak, aby emitoval jeden foton najednou. To by bylo doslova jako hodit mikroskopická kuličková ložiska skrz štěrbiny. Nastavením obrazovky, která byla dostatečně citlivá k detekci jediného fotonu, bylo možné určit, zda v tomto případě existovaly nebo nebyly rušivé vzorce.

Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je nastavení citlivého filmu a spuštění experimentu po určitou dobu, pak se podívejte na film a podívejte se, jaký je vzor světla na obrazovce. Právě takový experiment byl proveden a ve skutečnosti se shodoval s Youngovou verzí - střídavými světlými a tmavými pruhy, které byly patrně důsledkem vlnového rušení.

Tento výsledek potvrzuje a ohromuje vlnovou teorii. V tomto případě jsou fotony emitovány jednotlivě. Doslova neexistuje způsob, jak by mohlo dojít k rušení vln, protože každý foton může najednou procházet pouze jednou štěrbinou. Je však pozorováno vlnové rušení. Jak je tohle možné? Pokus o odpověď na tuto otázku vyvolal mnoho zajímavých výkladů kvantová fyzika, od kodaňské interpretace po interpretaci mnoha světů.

Nyní předpokládejte, že provádíte stejný experiment, s jednou změnou. Umístíte detektor, který dokáže zjistit, zda foton prochází danou štěrbinou. Pokud víme, že foton prochází jednou štěrbinou, pak nemůže projít druhou štěrbinou, aby interferoval se sebou samým.

Ukázalo se, že když přidáte detektor, pásma zmizí. Provádíte přesně stejný experiment, ale přidáte pouze jednoduché měření v dřívější fázi a výsledek experimentu se drasticky změní.

Něco o aktu měření, které štěrbiny se používají, úplně odstranilo vlnový prvek. V tomto okamžiku se fotony chovaly přesně tak, jak bychom očekávali, že se částice bude chovat. Samotná nejistota v poloze nějak souvisí s projevem vlnových efektů.

V průběhu let byl experiment prováděn mnoha různými způsoby. V roce 1961 provedl Claus Jonsson experiment s elektrony a byl v souladu s Youngovým chováním a vytvářel interferenční vzorce na pozorovací obrazovce. Jonssonova verze experimentu byla zvolena „nejkrásnějším experimentem“ Svět fyziky čtenáři v roce 2002.

V roce 1974 byla technologie schopna provést experiment uvolněním jednoho elektronu najednou. Opět se ukázaly interferenční vzorce. Když je však detektor umístěn ve štěrbině, rušení opět zmizí. Experiment byl znovu proveden v roce 1989 japonským týmem, který byl schopen používat mnohem rafinovanější vybavení.

Experiment byl proveden s fotony, elektrony a atomy a pokaždé se stejným výsledkem stane se zřejmým - něco o měření polohy částice ve štěrbině odstraní vlnu chování. Existuje mnoho teorií, které vysvětlují proč, ale zatím je mnoho z nich stále dohadem.