През 1801 г. английският учен енциклопедист Томас Йънг провежда опит, който дава много силни доказателства, че материята и енергията може да имат едновременно характеристиките на вълна и на частици. (По-късно този опит става основа и за изследване на вероятностната природа на явленията от квантовата механика.)
Експериментът се състои най-общо в следното: кохерентен източник на светлина (с постоянна дължина на вълната и постоянна фаза, например лазер) осветява тънка пластина с два успоредни процепа. Светлината, преминаваща през процепите, пада върху екран зад пластината.
Резултатът от опита ще е съвсем различен в случай, че светлината е вълна или частица. Така, ако приемем, че светлината се състои от частици (според корпускулярната теория на Нютон), то върху проекционния екран следва да се видят само две успоредни ленти от светлина, преминаваща през процепа на екрана. При това моделът на светлите ленти ще съответства на размерите и формата на процепите, а между тях (лентите от светлина) проекционният екран ще е практически неосветен.
Ако светлината е вълна, резултатите следва да са различни. Първо, проекцията върху екрана е много по-широка от размерите на процепите, и второ – тя представлява картина на интерференция… Когато монохроматичната светлина достигне процепите, точките в процепите стават вторични източници на сферични вълни и върху проекционния екран се появява интерферентна картина от светли и тъмни ивици. (Такъв резултат не може да се получи, ако светлината се състои просто от частици.)
Резултатите от експеримента доказват, че светлината се състои от вълни
Така този експеримент изиграва жизнено важна роля в приемането на вълновата теория на светлината в началото на ХIX век, противопоставяйки я на корпускулярната теория, предложена от Исак Нютон (и общоприет модел за светлината през XVII и XVIII век). По-късно обаче откритието на фотоелектричния ефект (Хайнрих Херц, 1887) показва, че при различни обстоятелства светлината може да се държи така, сякаш е съставена от отделни частици. Тези на пръв поглед противоречиви открития спомагат да се отиде отвъд класическата физика, да се достигне до квантовата природа на светлината.
Експериментът на Йънг в електронен вариант
Резултатите от експеримента доказват, че светлината се състои от вълни
През 1989г. е проведен опит, подобен на опита на Йънг (само че с електрони), който блестящо потвърждава хипотезата на дьо Бройл за двойствения корпускулярно-вълнов характер не само на фотоните, но и на елементарните частици изобщо. Вместо поток от слънчеви лъчи, които преминават през два успоредни процепа, поставяме електроннолъчева пушка в стъклена тръба, в която е изтеглен всичкият въздух, т.е. има вакуум, за да не влияе нищо на пътя на електроните. Срещуположният край на тръбата има покритие от луминофор (вещество, което излъчва светлина, когато се „активира“ от поток от електрони – луминесценция). Всеки електрон при удар в луминофора оставя върху него светеща точка, фиксирайки по този начин пристигането си във вид на частица. Интересно е, че отново се оформя интерферентна картина. Този експеримент е провеждан много пъти и по различни начини с електрони и други частици, като резултатът е един и същ.
Изводът от всички експерименти е, че една единствена частица трябва да преминава едновременно през процепите – нещо, което противоречи на нашия всекидневен опит с дискретни обекти. Това явление е също така е доказателство, че електрони, протони, неутрони и дори по-големи микрочастици – фулерени (Цайлингер, 1999 г.), молекули с диаметър около 0,7 Nm (почти половин милион пъти по-големи от един протон) – всички те имат поведение на вълна и дори собствени специфични честоти.
Илюстрацията показва промяната на вълновата функция на електрона при преминаването му през двата процепа. Степента на сивото представя плътността на вероятността на присъствието на електрона. Действителният размер на електрона всъщност е много по-малък от областта на вероятността от присъствието му. Вижда се ясно, че електронът “интерферира със себе си”: интерферентните ленти са ясно забележими при преминаването през двата процепа – както след преградата, така и преди нея. За да изследват още по-задълбочено поведението на електрона, учените правят редица разновидности на опита:
Изстрелване на електроните един по един
При изстрелването на електроните един по един ще виждаме следите от електроните на пръв поглед случайно разпределени. След известно време, въпреки че продължаваме да изпращаме електроните един по един, започват да се оформят интерферентни ленти. Така се налага изводът, че един електрон в известен смисъл трябва да премине през двете цепки едновременно и след това да интерферира сам със себе си, докато се движи към екрана. Луминисциращият детектор фиксира картината на разпределението на електроните или, което е същото, вероятността за наличието на частица в някаква точка.
Така в квантовия свят ние се сблъскваме с едно много странно поведение: електронът е вълна, докато не се локализира, а актът на откриването му го превръща в частица.
С детектори на частици в процепите
Какво би станало, ако поставим детектори на частици в близост до всеки един от процепите и се опитваме “да хванем частите” от електрона, които преминават през съответния отвор? В този случай, квантът винаги ще бъде “хванат” да излиза от един от процепите, но никога от двата (което е логично, като се има предвид, че квантът е неделим по определение). Интерферентната картина изчезва, заменена от нормалното разпределение.
А какво се случва, ако инсталираме само един детектор в близост до един от процепите? Случва се това, че дори ако квантът не бъде уловен от детектора (минал е през другата дупка), нтерферентната картина на екрана все пак изчезва. Излиза, че квантът някак си е “научил”, че го отчитат на другият процеп и отказва да интерферира, като се „преструва“ на частица.
За да се регистрира през кой от процепите е преминал един или друг електрон, е нужно да се постави измервателен уред, който обаче работи със същите електромагнитни вълни. С други думи, за да се регистрира електрона в пространството, се въздейства върху него. А въздействайки върху него, ние променяме състоянието му и като следствие – интерферентната картина (тя изчезва).
Ако намалим въздействието до минимум, веднага започва да се наблюдава интерференция, но няма не може да се каже през кой отвор е минал електронът…
Източници:
Част от статията е заимствана от http://bgchaos.com/560/fractals/quantum-mechanics/опитът-с-двата-процепа-на-юнг/
Chad Orzel, Watching Photons Interfere: Observing the Average Trajectories of Single Photons in a Two-Slit Interferometer, ScienceBlogs
Clintberg, Young’s Double Slit Experiment, Department of Lifelong Learning.
Scientific American, New ‘Double Slit’ Experiment Skirts Uncertainty Principle, Nature
Walter Scheider, Do the “Double Slit” Experiment the Way it Was Originally Done, The Physics
Teacher 24, 217-219, 1986
The secret lives of photons revealed , physicsworld.com
Physics World reveals its top 10 breakthroughs for 2011, physicsworld.com
The Feynman Double Slit, Department of Physics University of Toronto
