Youngo dvigubo plyšio eksperimentas ir bangų bei dalelių dualumas
Atraskite Youngo dvigubo plyšio eksperimentą: kvantinės mechanikos paslaptis apie bangų ir dalelių dualumą, stebinantys rezultatai ir jų reikšmė.
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.
Įpjovos; atstumas tarp viršutinių stulpelių maždaug vienas colis.
Eksperimentas
Šis eksperimentas labai paprastas. Reikia tik dvigubo plyšio prietaiso, panašaus į pavaizduotąjį paveikslėlyje, kažko, kad dvigubo plyšio prietaisas nejudėtų, ir gero lazerio, pavyzdžiui, tokio, kokį darbininkai naudoja tiesioms linijoms "braižyti" statydami. Lazeris laikomas ant atramos, todėl jį galima judinti tik specialiai. Jis nukreipiamas į centrinį tašką tarp dviejų plyšių iš maždaug pusės metro atstumo. Kitoje dvigubo plyšio prietaiso pusėje už kelių metrų pastatomas kažkas panašaus į kino ekraną arba lygią baltą sieną. Kai viskas fiksuojama, matomas šviesių ir tamsių juostų raštas.
Lazeriai gali sukurti vieną ar daugiau fotonų, kai jiems suteikiamas tam tikras elektros energijos kiekis. Fotonas ar fotonai per gerai žinomą laiką išeina iš labai mažos skylutės. Šviesos greitis yra žinomas, todėl laiką, per kurį fotonai pasirodys ekrane, galima numatyti. Kai fotonai gaminami po vieną, ekrane pasirodo atskiros šviesos dėmės. Jei fotonai būtų bangos, tuomet galėtume tikėtis, kad keliaudami jie pasiskirstys ir nusidrieks per didelį ekrano plotą, tačiau taip niekada neatsitinka. Jei fotonai būtų dalelės, tuomet tikėtumesi, kad jie pasirodys dviejuose ekrano taškuose, sujungtuose su lazeriu per du viduryje esančius plyšius. Tačiau taip neatsitinka.
Kai Thomas Youngas atliko šį eksperimentą, jis neturėjo lazerio. Jis tai suprato įsivaizduodamas, kad šviesa yra tarsi vandens bangos. Jis manė, kad šviesos bangos sklinda nuo šviesos šaltinio kaip bangos, sklindančios nuo akmenuko, įmesto į tvenkinį, o kai bangų frontai atsitrenkia į dvigubus plyšius, pradinė banga prasiskverbia pro abu plyšius, ir nuo to laiko yra dvi skirtingos bangos. Buvo nesunku suprasti, kaip dvi bangos sąveikauja tarpusavyje, kad ekrane susidarytų šviesios ir tamsios juostos (dažnai vadinamos "pakraščiais"). Jis sakė, kad įrodė teoriją, jog šviesa yra bangos.
Tačiau kilo didelių problemų. Šviesa ekrane nesimatė kaip jį plaunančios bangos. Šviesa buvo suprantama kaip fotonų, kurie pavieniui patenka į aptikimo ekraną, būriai. Ir, labai keista, vienas fotonas galėjo interferuoti pats su savimi, tarsi tai būtų viena banga, atitinkanti senąjį bangų aprašymą. Dvigubo plyšio įrenginyje jis skyrėsi į dvi bangas, kurios susijungė ekrane.
Tas pats prietaisas, vienas atviras plyšys ir du atviri plyšiai (atkreipkite dėmesį į 16 pakraščių).
J - atstumas tarp pakraščių. J = Dλ/B "D" = dist. S2 iki F, λ = bangos ilgis, B = atstumas nuo a iki b
Reikšmė fizikai
Dvigubo plyšio eksperimentas tapo klasikiniu minties eksperimentu, nes aiškiai paaiškino pagrindinius kvantinės mechanikos galvosūkius.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra dvigubo plyšio eksperimentas?
A: Dvigubo plyšio eksperimentas kvantinėje mechanikoje yra eksperimentas, kurį 1801 m. pirmą kartą atliko fizikas Tomas Youngas. Jis parodė, kad šviesa turi ir banginę, ir dalelinę prigimtį ir kad šios prigimtys yra neatskiriamos.
K: Kas pirmasis atliko dvigubo plyšio eksperimentą?
A: Dvigubo plyšio eksperimentą 1801 m. pirmasis atliko fizikas Tomas Jangas.
K: Ką rodo dvigubo plyšio eksperimentas?
A: Dvigubo plyšio eksperimentas rodo, kad šviesa yra ir bangos, ir dalelės, ir kad šios prigimtys yra neatskiriamos. Todėl sakoma, kad šviesa turi bangos ir dalelės dualumą, o ne yra tik banga arba tik dalelė. Tas pats pasakytina ir apie elektronus bei kitas kvantines daleles.
Klausimas: Ar įmanoma, kad šviesa būtų arba tik banga, arba tik dalelė?
Atsakymas: Ne, šviesa negali būti nei tik banga, nei tik dalelė; atvirkščiai, ji vienu metu turi ir bangos, ir dalelės savybes - šis reiškinys vadinamas bangų ir dalelių dualumu. Tai taikoma ir elektronams bei kitoms kvantinėms dalelėms.
Klausimas: Kokio tipo dualumu pasižymi šviesa?
A: Šviesa pasižymi vadinamuoju bangų ir dalelių dualumu, t. y. ji vienu metu turi ir bangų, ir dalelių savybių. Tai taip pat būdinga elektronams ir kitoms kvantinėms dalelėms.
K: Ar tas pats galioja ir elektronams?
Atsakymas: Taip, tas pats principas, kad elektronai vienu metu turi ir bangų, ir dalelių savybes, t. y. vadinamasis bangų ir dalelių dualumas, taikomas ir elektronams bei kitoms kvantinėms dalelėms.
K: Kada šis reiškinys tapo žinomas kaip "bangų ir dalelių dualumas"?
A: Bangų ir dalelių dvilypumas tapo plačiai pripažintas po to, kai 1801 m. Tomas Youngas, atlikęs dvigubo plyšio eksperimentą, parodė, kad šviesa vienu metu turi ir bangų, ir dalelių savybes.
Ieškoti