Divkāršās spraugas eksperiments (Younga): gaismas viļņu–daļiņu dualitāte
Uzzini Janga divkāršās spraugas eksperimentu: kvantu viļņu–daļiņu dualitāte, pārsteidzoši rezultāti un to nozīme mūsdienu fizikā.
Kvantu mehānikā divkāršās spraugas eksperiments ir fiziķa Tomasa Janga (Thomas Young) izstrādāts eksperiments. Tas parāda, ka gaismai piemīt gan viļņu, gan daļiņu daba vai īpašības un ka šīs īpašības ir neatdalāmas. Tāpēc par gaismu saka, ka tai ir viļņu un daļiņu dualitāte, nevis tikai viļņu vai tikai daļiņu īpašības. Tas pats attiecas uz elektroniem un citām kvantu daļiņām.
Eksperiments — uzstādījums
Vienkāršākā divkāršās spraugas shēma ir šāda: monohronā (vienkrāsaina) gaisma vai cits koherents kvantu avots tiek raidīts caur divām cieši novietotām spraugām uz ekrāna. Ekrānā novēro izkliedes rakstu — sēriju gaišiem un tumšiem joslām (interferenci). Eksperimentu var veikt arī ar ļoti vāju avotu, kas atbrīvot vienu fotonu vai vienu elektronu vienlaikus.
Kas tiek novērots
- Ja abas spraugas ir atvērtas un nav mēģinājumu noteikt, ca kuru spraugu gaisma vai daļiņa gāja, uz ekrāna rodas interferences raksts — tas raksturo viļņu mijiedarbību.
- Ja uzrauga vai mēra “kur ceļš” informāciju (which-path), interferences raksts izzūd un uzvedība atgādina daļiņu strūklu, kas atbilst klasiskai daļiņu gaidīšanai.
- Ar ļoti vājo avotu, sūtot pa vienam fotonam vai elektronam, katra atsevišķā iekrāsošanās uz ekrāna šķiet nejauša, taču, summējot daudzus notikumus, atkal parādās interferences modelis — tā it kā katra daļiņa “interferē ar sevi”.
Skaidrojums kvantu mehānikā
Kvantu mehānikā daļiņas apraksta viļņu funkcija (viļņu funkcija). Uzmetot vienkāršu skaidrojumu: daļiņa, nonākot pie spraugām, neizvēlas vienu konkrētu ceļu, bet tās stāvoklis ir superpozīcijā — mājienam par to, ka pastāv iespējas nonākt gan cauri vienai, gan cauri otrai spraugai. Interferenci izsauc viļņu funkcijas daļu saskare (saskaitīšana ar fāzi), un Born likums saista viļņu funkcijas kvadrātu ar varbūtību atrast daļiņu noteiktā vietā.
Novērošana un koherences zudums
Ja mēra, kura sprauga tika izmantota, tiek iegūta “ceļa” informācija, sistēmas koherences stāvoklis tiek traucēts — superpozīcija izdziest (viļņu funkcijas fāžu sakritība tiek iznīcināta) un interferences makroskopiskā izpausme pazūd. Šo fenomenu var skaidrot arī ar decoherence jeb dekoherences jēdzienu: mijiedarbība ar mērījumu ierīci vai vidi pārvērš kvantu superpozīciju par statistisku sajaukumu, atjaunojot klasisku uzvedību.
Papildu uzlabojumi un eksperimenti
- Vienkārši varianti: gaismas avots, divas spraugas un ekrāns.
- Modernie eksperimenti izmanto atsevišķus fotonus, jūtīgus detektorus, elektronus un pat atomus vai molekulas — visur redzama līdzīga dualitāte.
- Delayed-choice (aizkavētās izvēles) un quantum eraser eksperimenti demonstrē, ka lēmums mērot ceļu vai neietekmē retroaktīvi faktisko notikumu, bet gan to, kuriem kvantu amplitūdu komponentiem joprojām ir koherences sakarība.
Nozīme un pielietojumi
Divkāršās spraugas eksperiments ir fundamentāls kvantu fizikas demonstrators: tas ilustrē superpozīciju, viļņu funkcijas nozīmi un to, ka mērījums kvantu līmenī maina sistēmu. Praktiski šādas idejas ir svarīgas kvantu tehnoloģijās — kvantu datorzinātnē, kvantu komunikācijā un metrologijā. Arī elektronu interferenci izmanto augstas izšķirtspējas instrumentiem, piemēram, elektronmikroskopijā.
Vēsturiska piezīme
Tomass Jangs (Thomas Young) eksperimentu pirmoreiz parādīja 19. gadsimta sākumā, 1801. gadā, lai pierādītu gaismas viļņu dabu un apstrīdētu tolaik populāro Ņūtona korpuskulāro teoriju. Mūsdienu kvantu mehānika sniedz dziļāku skaidrojumu, kas apvieno viļņu un daļiņu aspektus kā viena fenomena divas izpausmes.
Divkāršās spraugas eksperiments paliek viens no skaidrākajiem un vizuālākajiem piemēriem kvantu mehānikas pamatprincipiem un izaicina intuitīvo priekšstatu par to, kā darbojas fiziskā realitāte mikroskopiskā mērogā.
Plaisas; attālums starp augšējiem stabiņiem ir aptuveni viens collas.
Eksperiments
Šis eksperiments ir ļoti vienkāršs. Tam nepieciešama tikai tāda dubultšķēluma ierīce, kāda redzama attēlā, kaut kas, ar ko turēt dubultšķēluma ierīci nekustīgi, un labs lāzers, piemēram, tāds, kādu izmanto strādnieki, lai "zīmētu" taisnas līnijas, kad viņi būvē. Lāzers ir balstīts, lai to varētu pārvietot tikai ar nolūku. Tas ir vērsts uz centrālo punktu starp abām spraugām no aptuveni pusmetra attāluma. Kaut ko tādu kā kinoekrānu vai gludu baltu sienu novieto dubultās spraugas ierīces otrā pusē vairāku metru attālumā. Kad viss ir nostiprināts, parādās gaišo un tumšo joslu zīmējums.
Lāzeri var radīt vienu vai vairākus fotonus, ja tiem tiek pievadīts noteikts elektrības daudzums. Fotons vai fotoni izplūst no ļoti maza cauruma labi zināmā laika periodā. Gaismas ātrums ir zināms, tāpēc laiku, kad fotoni parādās uz ekrāna, var paredzēt. Kad fotoni rodas pa vienam, uz ekrāna parādās atsevišķi gaismas plankumi. Ja fotoni būtu viļņi, tad mēs sagaidītu, ka, ceļojot tie izkliedēsies un izskalosies pa plašu ekrāna laukumu, bet tā nekad nenotiek. Ja fotoni būtu daļiņas, tad mēs sagaidītu, ka tie parādīsies divos ekrāna punktos, kas caur divām spraugām vidū ir savienoti ar lāzeru. Taču arī tas nenotiek.
Kad Tomass Jangs veica šo eksperimentu, viņam nebija lāzera. Viņš to saprata, iedomājoties, ka gaisma ir kā ūdens viļņi. Viņš domāja, ka gaismas viļņi virzās no gaismas avota kā viļņi, kas izplatās no dīķī iemesta akmentiņa, un, kad viļņu frontes nonāk dubultās spraugās, tad sākotnējais vilnis iziet cauri abām spraugām, un tālāk ir divi dažādi viļņi. Bija viegli noskaidrot, kā divi viļņi mijiedarbojas, lai uz ekrāna radītu gaišas joslas un tumšas joslas (bieži sauktas par "bārkstīm"). Viņš teica, ka ir pierādījis teoriju, ka gaisma ir viļņi.
Taču bija lielas problēmas. Gaisma nerādījās uz ekrāna kā viļņi, kas to izskaloja. Gaismu sāka uztvert kā fotonu barus, kas individuāli trāpīja uz detektēšanas ekrāna. Un, ļoti pārsteidzoši, atsevišķs fotons varēja interferēt pats ar sevi, it kā tas būtu atsevišķs vilnis, kas atbilda vecajam viļņu aprakstam. Tas sadalījās divos viļņos pie divšķautņu ierīces, un tad tie apvienojās pie ekrāna.
Tāda pati ierīce, viena atvērta sprauga pret divām atvērtām spraugām (ņemiet vērā 16 bārkstis.)
J ir attālums starp bārkstīm. J = Dλ/B "D" = dist. S2 līdz F, λ = viļņa garums, B = attālums no a līdz b
Nozīme fizikā
Eksperiments ar dubulto spraugu kļuva par klasisku domas eksperimentu, jo tas skaidri izskaidroja galvenās kvantu mehānikas mīklas.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir dubultšķautnes eksperiments?
A: Kvantu mehānikā divkāršās spraugas eksperiments ir eksperiments, ko 1801. gadā pirmo reizi veica fiziķis Tomass Jangs. Tas parāda, ka gaismai ir gan viļņu, gan daļiņu daba un ka šīs dabas ir neatdalāmas.
J: Kurš pirmais veica dubultšķautnes eksperimentu?
A: Eksperimentu ar dubulto spraugu pirmo reizi veica fiziķis Tomass Jangs 1801. gadā.
J: Ko parāda dubultšķautnes eksperiments?
O: Dubultšķēršļu eksperiments parāda, ka gaismai ir gan viļņu, gan daļiņu daba un ka šīs dabas ir neatdalāmas. Tāpēc par gaismu saka, ka tai ir viļņu un daļiņu dualitāte, nevis tikai viļņu vai tikai daļiņu dualitāte. Tas pats attiecas uz elektroniem un citām kvantu daļiņām.
Vai ir iespējams, ka gaisma ir tikai vilnis vai tikai daļiņa?
Atbilde: Nē, gaisma nevar būt vai nu tikai vilnis, vai tikai daļiņa; tā vietā tai vienlaicīgi piemīt gan viļņu, gan daļiņu īpašības - šo parādību sauc par viļņu un daļiņu dualitāti. Tas attiecas arī uz elektroniem un citām kvantu daļiņām.
J: Kāda veida dualitāte piemīt gaismai?
A: Gaismai piemīt tā sauktā viļņu un daļiņu dualitāte - tas nozīmē, ka tai vienlaicīgi piemīt gan viļņu, gan daļiņu īpašības. Tas attiecas arī uz elektroniem un citām kvantu daļiņām.
J: Vai tas pats attiecas arī uz elektroniem?
A: Jā, tas pats princips, ka elektroniem vienlaicīgi piemīt gan viļņu, gan daļiņu īpašības, kas pazīstams kā "viļņu un daļiņu dualitāte", attiecas arī uz elektroniem un citām kvantu daļiņām.
J: Kad šo parādību sāka dēvēt par "viļņu un daļiņu dualitāti"?
A: Viļņu un daļiņu dualitāte kļuva plaši atzīta pēc tam, kad 1801. gadā Tomass Jangs (Thomas Young) eksperimentos ar dubultās spraugas eksperimentu pierādīja, ka gaismai vienlaikus piemīt gan viļņu, gan daļiņu īpašības.
Meklēt