Двощілинний експеримент Юнга
З Вікіпедії, безкоштовно encyclopedia
У сучасній фізиці експеримент із подвійною щілиною є демонстрацією того, що світло та матерія можуть демонструвати характеристики як класично визначених хвиль, так і частинок; більше того, він демонструє фундаментально ймовірнісний характер квантово-механічних явищ. Цей тип експерименту вперше був проведений Томасом Юнгом у 1801 році як демонстрація хвильової поведінки видимого світла[1]. У той час вважалося, що світло складається або з хвиль, або з частинок. З початком сучасної фізики, приблизно через сто років, було зрозуміло, що світло насправді може демонструвати поведінку, характерну як для хвиль, так і для частинок. У 1927 році Девіссон і Джермер продемонстрували, що електрони демонструють однакову поведінку, яку пізніше поширили на атоми та молекули[2][3]. Експеримент Томаса Юнга зі світлом був частиною класичної фізики задовго до розвитку квантової механіки та концепції дуалізму хвиля–частка. Він вважав, що це демонструє правильну хвильову теорію світла, і його експеримент іноді називають експериментом Юнга[4] або щілинами Юнга.
Експеримент належить до загального класу експериментів із «подвійним шляхом», у яких хвиля розбивається на дві окремі хвилі (хвиля зазвичай складається з багатьох фотонів і її краще називати фронтом хвилі, не плутати з властивостями хвилі окремого фотона), які пізніше об’єднуються в одну хвилю. Зміни в довжинах шляху обох хвиль призводять до фазового зсуву, створюючи інтерференційну картину. Іншою версією є інтерферометр Маха-Цендера, який розділяє промінь за допомогою дільника променя.
У базовій версії цього експерименту джерело когерентного світла, наприклад лазерний промінь, освітлює пластину, пронизану двома паралельними щілинами, і світло, що проходить через щілини, спостерігається на екрані за пластиною[5][6]. Хвильова природа світла призводить до того, що світлові хвилі, що проходять через дві щілини, взаємодіють, утворюючи яскраві та темні смуги на екрані – результат, який не очікувався б, якби світло складалося з класичних частинок[5][7]. Однак світло завжди поглинається на екрані в окремих точках у вигляді окремих частинок (не хвиль); інтерференційна картина з'являється через різну щільність попадання цих частинок на екран[8]. Крім того, версії експерименту, які включають детектори на щілинах, показують, що кожен виявлений фотон проходить через одну щілину (як класична частинка), а не через обидві щілини (як хвиля)[9][10][11][12][13]. Однак такі експерименти демонструють, що частинки не утворюють інтерференційної картини, якщо визначити, через яку щілину вони проходять. Ці результати демонструють принцип дуалізму хвиля–частка[14][15].
Виявлено, що інші об’єкти атомного масштабу, такі як електрони, демонструють таку саму поведінку, коли їх направляють у бік подвійної щілини[6]. Крім того, виявлення окремих дискретних впливів є за своєю суттю імовірнісним, що неможливо пояснити за допомогою класичної механіки[6].
Експеримент можна проводити з істотами, набагато більшими за електрони та фотони, хоча це стає складніше зі збільшенням розміру. Найбільшими об’єктами, для яких був проведений експеримент із подвійною щілиною, були молекули, кожна з яких складалася з 2000 атомів (загальна маса яких становила 25 000 атомних одиниць маси)[16].
Експеримент із подвійною щілиною (і його варіації) став класичним завдяки своїй чіткості у вираженні головних загадок квантової механіки. Оскільки це демонструє фундаментальне обмеження здатності спостерігача передбачати експериментальні результати, Річард Фейнман назвав це «явище, яке неможливо […] пояснити будь-яким класичним способом, і яке містить у собі суть квантової механіки. Насправді це містить єдину таємницю [квантової механіки]»[6].