Τι είναι το πείραμα με διπλή σχισμή;

Το πείραμα της διπλής σχισμής δείχνει τη δυαδικότητα του κβαντικού κόσμου. Η δυαδικότητα κύματος/σωματιδίου ενός φωτονίου επηρεάζεται όταν παρατηρείται.

Το φως ήταν ένας από τους κύριους τομείς έρευνας για τους φυσικούς από τότε που αρχίσαμε να αμφισβητούμε τον κόσμο γύρω μας. Είναι κατανοητό, καθώς είναι το μέσο με το οποίο βλέπουμε, μετράμε και κατανοούμε τον κόσμο. Έχει έναν ισχυρό συμβολισμό στη φαντασία μας, αντανακλάται στις θρησκείες μας και αναφέρεται περίφημα στις γραφές μας.

Η αυστηρή επιστήμη έχει διαφωτίσει την άγνοιά μας για το Φως. Μέχρι το 1800, πιστευόταν ότι το φως αποτελείται από σωματίδια, όπως πιστοποιήθηκε από τη Νευτώνεια φυσική.

Αυτό προέκυψε μάλλον διαισθητικά, καθώς βλέπουμε το φως να ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή, όπως οι σφαίρες που βγαίνουν από ένα όπλο.

Το φως ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή (Φωτογραφία :nobeastsofierce/Shutterstock)

Ωστόσο, η φύση είναι συχνά πιο περίεργη από τις προσδοκίες μας και η περίεργη συμπεριφορά του φωτός παρουσιάστηκε για πρώτη φορά από τον Τόμας Γιανγκ στο πλέον πολυμελετημένο και απαθανατισμένο πείραμά του με διπλή σχισμή. Αυτό το πείραμα παρέχει μερικές συναρπαστικές γνώσεις για τις μικρές λειτουργίες της φύσης και έχει αμφισβητήσει όλα όσα γνωρίζουμε για το φως, την ύλη και την ίδια την πραγματικότητα. Ας ξαναδούμε το πείραμα που έχει μπερδέψει θρυλικούς επιστήμονες – συμπεριλαμβανομένου του Αϊνστάιν!

Το πείραμα της διπλής σχισμής

Το πείραμα είναι αρκετά απλό, με πολύ λίγα μέρη. Υπάρχουν τρία κύρια στοιχεία:

• Πηγή φωτός ή ύλης – φωτόνια, ηλεκτρόνια, σφαίρες

Πηγή πυροδότησης φωτός ή ύλης (φωτόνια, ηλεκτρόνια) (Φωτογραφία :VectorKnight/Shutterstock)

• Δύο στενές σχισμές για τη διέλευση της πηγής.

Δύο σχισμές

• Μια οθόνη προβολής, όπου η πηγή κάνει την εντύπωσή της. Το σχέδιο της εντύπωσης μας λέει αν είναι κύμα ή σωματίδιο.

Προβολέας για εντύπωση

Ο στόχος του πειράματος είναι να δούμε την υποκείμενη σύνθεση του φωτός και της ύλης.

Ας ξεκινήσουμε με κάτι γνωστό, σφαίρες από πολυβόλο. Το όπλο μας εκτοξεύει σφαίρες σε τακτά χρονικά διαστήματα προς την εμβέλεια των δύο σχισμών.

Το πείραμα έγινε με κουκκίδες

Δύο ευθείες γραμμές εμφανίζονται στον προβολέα. Το μοτίβο του γραφήματος είναι αυτό των δύο βουνών. όπου οι κορυφές υποδηλώνουν τα σημεία αποτύπωσης και οι γούρνες υποδηλώνουν κενές θέσεις.

Αυτό που πρέπει να σημειωθεί εδώ είναι ότι εάν κλείσουμε το S2 και πυροβολήσουμε το όπλο, εμφανίζεται μόνο μία γραμμή. Έτσι, μπορούμε με ασφάλεια να πούμε ότι το S είναι ίσο με το άθροισμα των S1 και S2, δηλαδή S =S1 + S2.

S =S1 + S2

Το φως είναι η επόμενη πηγή για το πείραμα. Η εντύπωση εμφανίζεται ως δέσμες φωτονίων που εκτοξεύονται μέσα από τις δύο σχισμές. Ποιο είναι το μοτίβο που πιστεύετε ότι θα προκύψει; Είναι παρόμοιο με αυτό των σφαιρών; Λοιπόν, το φως αποτελείται από σωματίδια που μοιάζουν με σφαίρες, επομένως δεν είναι περίεργο να πούμε ότι το σχέδιο θα είναι το ίδιο.

Φωτόνια που ταξιδεύουν ως κύματα και συγκρούονται μεταξύ τους (Φωτογραφία :magnetix/Shutterstock)

Προς έκπληξη όλων, ωστόσο, η εντύπωση δεν είναι δύο ευθείες γραμμές. Το μοτίβο γραφήματος που εμφανίζεται είναι ένα μοτίβο παρεμβολής. υπάρχει η πιο φωτεινή εντύπωση στο κέντρο, και υποχωρεί και στις δύο πλευρές. Ένα μοτίβο παρεμβολής δημιουργείται μόνο όταν δύο κύματα παρεμβάλλονται μεταξύ τους. δεν υπάρχει άλλη πιθανή εξήγηση σε αυτό. Το μοτίβο δείχνει ότι το φως κινείται σε κύματα.

Τα κύματα από τις δύο σχισμές συγκρούονται μεταξύ τους. Υπάρχει ένας περίεργος σχηματισμός που αναπτύσσεται όταν δύο κύματα συγκρούονται. Ένα κύμα έχει μια κορυφή (το πάνω μέρος) και μια γούρνα (το τμήμα κάτω).

Crest and Trough in a wave (Φωτογραφία :Kicky_princess/Shutterstock)

Όταν η κορυφή ενός κύματος συγκρούεται με την κορυφή ενός άλλου, προσθέτει και σχηματίζει εποικοδομητική παρεμβολή, που θεωρείται ως ένα φωτεινό σημείο στον προβολέα. Όταν η κορυφή ενός κύματος και η κοιλότητα ενός άλλου κύματος συγκρούονται, αλληλοεξουδετερώνονται και σχηματίζουν ένα καταστροφικό μοτίβο, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα σκοτεινά σημεία μεταξύ των εντυπώσεων στον προβολέα.

Εποικοδομητική και καταστροφική παρέμβαση στα κύματα (Φωτογραφία :Fouad A. Saad/Shutterstock)

Η δεύτερη σχισμή κλείνει και το πείραμα γίνεται ξανά. Τώρα με μια σχισμή για κίνηση, τα φωτόνια σχηματίζουν μια ευθεία γραμμή. Σημειώστε, εδώ το S δεν ισούται με το άθροισμα των S1 και S2, και εδώ εστιάζεται επίσης η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου του φωτός.

Το S δεν ισούται με S1 + S2

Αυτή η αποκάλυψη άλλαξε τη σκέψη μας για το φως, αλλά η τρύπα του κουνελιού δεν τελειώνει εκεί. Τα πράγματα γίνονται πιο περίεργα όταν επαναλαμβάνουμε περαιτέρω το πείραμα. Τώρα, αντί να αναβοσβήνουν μαζί μια δέσμη φωτονίων, μόνο μεμονωμένα φωτόνια εκτοξεύονται μέσα από τις σχισμές σε τακτά χρονικά διαστήματα. Δεδομένου ότι είναι ένα μόνο φωτόνιο και δεν έχει άλλο κύμα για να αλληλεπιδράσει, μπορούμε να πούμε ότι το φωτόνιο θα κάνει μια ενιαία γραμμή στον προβολέα, αλλά το αποτέλεσμα είναι αντίθετο. ο σχηματισμός στον προβολέα εξακολουθεί να είναι ένα μοτίβο παρεμβολής!

Τα μεμονωμένα φωτόνια δείχνουν το ίδιο μοτίβο (Πιστωτική φωτογραφία :magnetix/Shutterstock)

Πώς μπορεί αυτό να είναι? Πώς μπορεί ένα μόνο φωτόνιο να γνωρίζει για τα φωτόνια που έρχονται μετά από αυτό και να σχηματίσει ένα μοτίβο που μοιάζει με αυτό της ομάδας που πυροβολήθηκε μαζί;

Εδώ αρχίζει ο κβαντικός απόκοσμος και τα πράγματα ξεφεύγουν αρκετά. Φαίνεται ότι ένα μόνο φωτόνιο ταξιδεύει μέσα από τις δύο σχισμές και συγκρούεται με τον εαυτό του για να σχηματίσει το σχέδιο παρεμβολής. Αυτό έχει ενοχλήσει πολύ τους φυσικούς, καθώς δεν υπακούει στους νόμους που βλέπουμε στη νευτώνεια μας κλίμακα. Αποδεικνύεται ότι ένα μεγάλο συγκρότημα φαίνεται να συμπεριφέρεται με τρόπο διαφορετικό από τη συμπεριφορά των μικροσκοπικών στοιχείων του.

Τώρα, ας χτυπήσουμε το σπίτι και ας πάμε αυτή την παραξενιά σε άλλο επίπεδο. Αυτή η τελευταία επανάληψη του πειράματος θα σας κάνει να εκτιμήσετε τον παραλογισμό της φύσης και το πόσο παράξενος είναι πραγματικά ο κόσμος μας.

Η παρατήρηση επηρεάζει την πραγματικότητα

Σε αυτό το σημείο, έχουμε διαπιστώσει ότι ένα μόνο φωτόνιο ταξιδεύει και από τη σχισμή ταυτόχρονα και συγκρούεται με τον εαυτό του για να σχηματίσει το σχέδιο παρεμβολής. Όπως υπαγορεύει η κλασική φυσική, είναι αδύνατο για το ίδιο φωτόνιο να κινηθεί μέσα από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα. Ίσως χωρίζεται σε δύο μέρη και αλληλεπιδρά με τον εαυτό του. Ο μόνος τρόπος για να μάθετε είναι να παρακολουθήσετε. Ένας ανιχνευτής τοποθετείται σε μία από τις σχισμές, οπότε όταν το φωτόνιο διέρχεται από τη σχισμή, ο ανιχνευτής το αναγνωρίζει.

Προσθήκη ανιχνευτή

Καθώς το φωτόνιο διέρχεται από τη σχισμή, ο ανιχνευτής το αναγνωρίζει. Το μοτίβο που εμφανίζεται στον προβολέα είναι μία γραμμή.

Το φωτόνιο δρα ως σωματίδιο όταν παρατηρείται.

Ακριβώς όταν νομίζετε ότι συμβιβάζεστε με την κβαντική κλίμακα, τα πράγματα γλιστρούν πάνω από το κεφάλι σας. Η πράξη της μέτρησης ή της παρατήρησης του φωτονίου το κάνει να περάσει μόνο από ένα μονοπάτι, κάνοντας την εντύπωση στον προβολέα ενός σωματιδίου. Δεν αλληλεπιδρά πλέον με τον εαυτό του και δεν προκύπτει μοτίβο παρεμβολής. Όταν το πείραμα εκτελείται με διάφορους βαθμούς ανίχνευσης, έτσι ώστε η ανίχνευση να είναι πιο αμυδρή σε κάθε διερχόμενο φωτόνιο (ας πούμε ότι ανιχνεύονται 7-10 φωτόνια και αυτός ο αριθμός συνεχίζει να μειώνεται), τότε το μοτίβο παρεμβολής αρχίζει σιγά-σιγά να εμφανίζεται ξανά. Τα φωτόνια λειτουργούν ως κύμα όταν δεν παρατηρούνται και λειτουργούν ως σωματίδια όταν παρατηρούνται.

Οι διάφορες ερμηνείες:

Τα πειράματα διπλής σχισμής είναι ένα από τα πιο επαναλαμβανόμενα πειράματα στην επιστημονική ιστορία. Ηλεκτρόνια, άτομα, μόρια και ακόμη και πολύπλοκα φουλερένια όπως τα Buckyballs έχουν χρησιμοποιηθεί ως πηγές για το πείραμα. Τα ίδια αποτελέσματα λαμβάνονται χρησιμοποιώντας κάθε πηγή. το σχέδιο είναι συνεπές τόσο στο φως όσο και στην ύλη.

Τα πράγματα στην κβαντική κλίμακα δεν ακολουθούν τους ντετερμινιστικούς νόμους της μακρο κλίμακας. Υπάρχουν πολλές ερμηνείες αυτού του κβαντικού φαινομένου. Η Ερμηνεία της Κοπεγχάγης αναφέρει ότι το μοτίβο παρεμβολής είναι όλες οι πιθανές συναρτήσεις του φωτονίου (μια κυματική συνάρτηση) και η πράξη παρατήρησης ή μέτρησής του κάνει το κύμα να επιλέξει μία από τις πολλές εναλλακτικές (κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης).

Μια άλλη ερμηνεία είναι η θεωρία των πολλών κόσμων, η οποία δηλώνει ότι όλες οι πιθανές καταστάσεις της κυματικής συνάρτησης του φωτονίου υπάρχουν ταυτόχρονα και η ανίχνευσή μας είναι ακριβώς αυτή η συγκεκριμένη περίπτωση της κυματικής συνάρτησης.

Οι θεωρίες τείνουν να τρέχουν και είναι ασφαλές να πούμε ότι το κβαντικό βασίλειο είναι λίγο ολισθηρό για να τυλίξεις το κεφάλι σου. Ωστόσο, δεν χρειάζεται να αισθάνεστε άσχημα, καθώς είστε σε καλή παρέα. Όπως είπε ο Richard Feynman: