Dvigubo plyšio eksperimentas kvantinėje mechanikoje yra fiziko Thomo Youngo sukurtas eksperimentas. Jis parodė, kad šviesa turi ir banginę, ir dalelinę prigimtį, ir kad šios prigimtys yra neatskiriamos. Todėl sakoma, kad šviesa pasižymi bangų ir dalelių dualumu, o ne yra tik banga arba tik dalelė. Tas pats pasakytina apie elektronus ir kitas kvantines daleles.

Eksperimento eiga ir klasikinis paaiškinimas

Paprastame dvigubo plyšio eksperimente šviesa arba kitos dalelės siunčiamos per plokštelę su dviem siaurais plyšiais ir fiksuojamos ekrane už jų. Jei šviesa elgtųsi tik kaip dalelės srautas, ekrane matytume tiesias dvi juostas atitinkančias plyšius. Tačiau pastebima interferencinė juosta – keletas ryškių ir tamsių ruožų, kurie susidaro dėl bangų superpozicijos: banga, išeinanti iš vieno plyšio, suderina arba užslopina bangą, išeinančią iš kito.

Vienos dalelės režimas ir kvantinė staigmena

Labiau pažangiuose variantuose dalelės (fotono, elektrono ir pan.) siunčiamos po vieną. Net ir tokiu atveju, kai kiekviena dalelė pasiekia ekraną atskirai, ilgainiui susidaro tas pats interferencinis vaizdas. Tai rodo, kad kiekvienos dalelės elgesį aprašo tikimybinė bangų funkcija, o ne paprasta klasikinė trajektorija. Interferencija čia reiškia, kad dalelė eksponuoja savybes, būdingas bangai, kol nėra atliktas matavimas, nustatantis kelį.

Matavimas, kelio informacija ir komplementarumas

Jeigu bandome nustatyti, per kurį plyšį dalelė praėjo (t. y. gauname taip vadinamą which-way informaciją), interferencinis vaizdas išnyksta ir ekrane lieka dvi juostos, kaip būtų laukiama dalelinio elgesio atveju. Tai susiję su Bohr’o komplementarumo principu: matavimo aparato sąveika su daleliu priverčia kvantinę superpoziciją žlugti arba „kolapsuoti“ į vieną iš galimų rezultatų. Praktiškai tai reiškia, kad negali vienu metu gauti pilnos kelio informacijos ir stebėti interferencijos.

Fizikiniai paaiškinimai ir nykimas dėl dekoherencijos

Kelio informacijos gavimas įprastai reiškia, kad dalelė sąveikauja su išoriniais sistemos elementais (detektoriais, aplinka). Tokia sąveika sukelia dekoherenciją – kvantinės fazių informacijos praradimą, dėl kurio dingsta interferencija. Dekoherencija paaiškina, kodėl klasikiniai matavimo įrenginiai rodo „paryškintus“ rezultatus be interferencinių efektų.

Modernaus eksperimento variantai

  • Eksperimentai su elektronais, neutronais, atomais ir net didelėmis molekulėmis (pvz., C60 „buckyball“) parodė tokius pačius principus: bangų ir dalelių dualumą ir interferenciją.
  • Quantum eraser (kvantinis valiklis) – eksperimento variantas, kuriame „which-way“ informacija yra vėliau „ištrinama“, ir interferencija gali būti atstatyta, jei informacija nebeatpažįstama.
  • Vieno fotono ar elektronų emisija po vieną ir ilgas laiko kaupimas parodo, kaip iš atskirų įvykių susidaro deterministinis tikimybinis modelis.

Interpretacijos ir reikšmė

Dvigubo plyšio eksperimentas yra vienas iš kertinių eksperimentų, kurie formavo kvantinės mechanikos sampratą. Jis kelia klausimus apie realybės prigimtį, matavimo problemą ir informaciją sistemoje. Yra keletas populiarių interpretacijų, bandančių paaiškinti stebimus reiškinius:

  • Kopenhagos interpretacija – pabrėžia bangos funkcijos kolapsą atliekant matavimą;
  • de Broglie–Bohm (pilotinės bangos) – siūlo, kad dalelė turi konkrečią trajektoriją, kurią veikia „vadovaujanti banga“;
  • Daugelio pasaulių interpretacija – priešingu atveju visi galimi rezultatai egzistuoja skirtinguose „pasauliuose“;
  • Praktinė požiūrio pusė (dekoherencija) paaiškina, kaip kvantinės savybės prarandamos makroskopiniu mastu dėl sąveikos su aplinka.

Santrauka

Dvigubo plyšio eksperimentas parodė, kad kvantinėje sferoje objektai turi tiek bangines, tiek dalelines savybes, o jų elgesys priklauso nuo to, ar mėginame matuoti tam tikras savybes. Eksperimentas ne tik atskleidė fundamentines kvantinės mechanikos savybes, bet ir paskatino daugybę šiuolaikinių tyrimų apie superpoziciją, dekoherenciją ir kvantinę informaciją.