Двойният експеримент на Томас Йънг

През целия деветнадесети век физиците имаха консенсус, че светлината се държи като вълна, в голяма степен благодарение на известния експеримент с двойни процепи, извършен от Томас Йънг. Водени от прозренията от експеримента и вълновите свойства, които демонстрира, век физици търсят средата, през която се развява светлината, светещ етер. Въпреки че експериментът е най-забележим със светлина, факт е, че този вид експеримент може да се извърши с всякакъв вид вълна, като например вода. За момента обаче ще се съсредоточим върху поведението на светлината.

В началото на 1800-те години (1801 до 1805 г., в зависимост от източника), Томас Йънг провежда експеримента си. Той позволи на светлината да премине през процеп в преграда, така че тя се разшири във вълнови фронтове от тази цепка като източник на светлина (под Принцип на Хюйгенс). Тази светлина от своя страна премина през двойката процепи в друга преграда (внимателно поставена на правилното разстояние от първоначалната цепка). Всеки процеп от своя страна разсейваше светлината, сякаш те също бяха отделни източници на светлина. Светлината се отрази на екрана за наблюдение. Това е показано вдясно.

Когато един отвор беше отворен, той просто въздейства върху екрана за наблюдение с по-голяма интензивност в центъра и след това избледнява, когато се отдалечавате от центъра. Има два възможни резултата от този експеримент:

Интерпретация на частици: Ако светлината съществува като частици, интензитетът на двете прорези ще бъде сумата от интензитета от отделните процепи.

Интерпретация на вълната: Ако светлината съществува като вълни, светлинните вълни ще има намеса при принципа на суперпозицията, създавайки светлинни ленти (конструктивни смущения) и тъмни (разрушителни смущения).

Когато експериментът се проведе, светлинните вълни наистина показват тези модели на смущения. Трето изображение, което можете да видите, е графика на интензитета по отношение на позицията, която съвпада с прогнозите от смущения.

По онова време това изглежда бе категорично доказателство, че светлината пътува във вълни, предизвиквайки съживяване в вълновата теория на светлината на Хюйген, която включваше невидима среда, т.е. етер, чрез които вълните се разпространяват. Няколко експеримента през 1800-те, най-вече известният Майкълсън-Морли експеримент, опита директно да открие етера или неговите ефекти.

Всички те се провалиха и един век по-късно работата на Айнщайн в фотоелектричен ефект и относителността води до това, че етерът вече не е необходим за обяснение на поведението на светлината. Отново теорията за частиците за светлината взе превес.

Все пак, веднъж фотон теория за светлината възникна, казвайки, че светлината се движи само в дискретни кванти, стана въпросът как са възможни тези резултати. През годините физиците са предприели този основен експеримент и са го изследвали по много начини.

В началото на 20-те години на миналия век остава въпросът колко светлина - която сега беше призната да пътува в "снопове", подобни на частици квантована енергия, наречена фотони, благодарение на обяснението на Айнщайн за фотоелектричния ефект - също може да прояви поведението на вълни. Със сигурност, куп водни атоми (частици), когато действат заедно, образуват вълни. Може би това беше нещо подобно.

Стана възможно да има източник на светлина, който беше настроен така, че да излъчва по един фотон наведнъж. Това буквално би било като хвърляне на микроскопични сачмени лагери през процепите. Поставяйки екран, който е достатъчно чувствителен, за да открие единичен фотон, можете да определите дали в този случай е имало или не модели на смущения.

Един от начините да направите това е да настроите чувствителен филм и да стартирате експеримента за определен период от време, след което погледнете филма, за да видите какъв е моделът на светлината на екрана. Точно такъв експеримент беше извършен и всъщност той съвпадаше с версията на Йънг идентично - редуващи се светли и тъмни ленти, привидно произтичащи от смущения на вълните.

Този резултат едновременно потвърждава и озадачава теорията на вълните. В този случай фотоните се излъчват поотделно. Буквално няма начин вълновата намеса да се осъществи, защото всеки фотон може да премине само през един процеп наведнъж. Но вълната намеса се наблюдава. Как е възможно? Е, опитът да се отговори на този въпрос породи много интригуващи интерпретации на квантова физика, от интерпретацията в Копенхаген до интерпретацията на много светове.

Сега приемете, че провеждате един и същ експеримент с една промяна. Поставяте детектор, който може да определи дали фотонът преминава през дадена цепка. Ако знаем, че фотонът преминава през едната процеп, тогава той не може да премине през другия процеп, за да се намеси в себе си.

Оказва се, че когато добавите детектора, лентите изчезват. Извършвате точно същия експеримент, но добавяте просто обикновено измерване на по-ранна фаза и резултатът от експеримента се променя драстично.

Нещо около акта за измерване на коя цепка се използва, премахна вълновия елемент напълно. В този момент фотоните са действали точно така, както бихме очаквали да се държи частица. Самата несигурност в позицията е свързана по някакъв начин с проявата на вълнови ефекти.

През годините експериментът се провежда по много различни начини. През 1961 г. Клаус Джонсън провежда експеримента с електроните и той съответства на поведението на Йънг, създавайки модели на смущения на екрана за наблюдение. Версията на експеримента на Джонсън беше обявена за „най-красивия експеримент“ от Светът на физиката читатели през 2002г.

През 1974 г. технологията стана в състояние да извърши експеримента, като пусна по един електрон в даден момент. Отново се появиха модели на смущения. Но когато на процепа се постави детектор, намесата отново изчезва. Експериментът отново е извършен през 1989 г. от японски екип, който е в състояние да използва много по-изискано оборудване.

Експериментът е извършен с фотони, електрони и атоми и всеки път един и същ резултат става очевидно - нещо за измерването на положението на частицата в процепа премахва вълната поведение. Съществуват много теории, които обясняват защо, но засега голяма част от това все още е хипотеза.