Youngs Double Slit Experiment

Under hela det sjuttonhundratalet hade fysiker en enighet om att ljus uppträdde som en våg, till stor del tack vare det berömda dubbelspalt-experimentet som Thomas Young utförde. Drivet av insikten från experimentet, och de vågegenskaper som det visade, sökte ett sekel av fysiker det medium genom vilket ljus viftade, den lysande etern. Även om experimentet är mest anmärkningsvärt med ljus, är faktumet att denna typ av experiment kan utföras med alla typer av vågor, till exempel vatten. För tillfället kommer vi dock att fokusera på beteendet hos ljus.

Vad var experimentet?

I början av 1800-talet (1801 till 1805, beroende på källa), genomförde Thomas Young sitt experiment. Han tillät ljus att passera genom en slits i en barriär så att det expanderade i vågfronter från den slitsen som en ljuskälla (under Huygens princip). Det ljuset, i sin tur, passerade genom slitsparet i en annan barriär (försiktigt placerade rätt avstånd från den ursprungliga slitsen). Varje slits, i sin tur, avledde ljuset som om de också var enskilda ljuskällor. Ljuset påverkade en observationsskärm. Detta visas till höger.

När en enda slits var öppen påverkade den bara observationsskärmen med större intensitet i mitten och bleknade sedan du rörde dig bort från mitten. Det finns två möjliga resultat av detta experiment:

Partikeltolkning: Om ljus existerar som partiklar är intensiteten hos båda slitsarna summan av intensiteten från de enskilda slitsarna.

Wave tolkning: Om ljus existerar som vågor, kommer ljusvågorna att ha störningar enligt principen om superposition, vilket skapar ljusband (konstruktiv interferens) och mörk (destruktiv interferens).

När experimentet genomfördes visade ljusvågorna verkligen dessa interferensmönster. En tredje bild som du kan se är en graf över intensiteten i termer av position, som matchar förutsägelserna från störningar.

Effekten av Youngs experiment

Då tycktes detta slutgiltigt bevisa att ljus färdades i vågor, vilket orsakade en vitalisering i Huygens vågteori om ljus, som inkluderade ett osynligt medium, eter, genom vilket vågorna spridit sig. Flera experiment under 1800-talet, särskilt det berömda Michelson-Morley-experimentet, försökte upptäcka etern eller dess effekter direkt.

De misslyckades alla och ett sekel senare resulterade Einsteins arbete med fotoelektrisk effekt och relativitet i att etern inte längre var nödvändig för att förklara ljusets beteende. Återigen tog en partikelteori om ljus dominans.

Utöka Double Slit-experimentet

Fortfarande, när fotonteorin om ljus uppstod och sade att ljuset bara rörde sig i diskret kvanta, blev frågan hur dessa resultat var möjliga. Under åren har fysiker tagit detta grundläggande experiment och utforskat det på ett antal sätt.

I början av 1900-talet förblev frågan hur ljus - som nu erkändes att resa i partikelliknande "buntar" av kvantiserad energi, kallad fotoner, tack vare Einsteins förklaring av den fotoelektriska effekten - också kunde visa upp vågorna. Visst, en massa vattenatomer (partiklar) när de verkar tillsammans bildar vågor. Kanske var det något liknande.

En foton åt gången

Det blev möjligt att ha en ljuskälla som var konfigurerad så att den släppte en foton åt gången. Detta skulle bokstavligen vara som att slänga mikroskopiska kullager genom slitsarna. Genom att ställa in en skärm som var tillräckligt känslig för att upptäcka en enda foton, kunde du avgöra om det fanns eller inte var interferensmönster i detta fall.

Ett sätt att göra detta är att låta en känslig film installeras och köra experimentet under en tidsperiod och sedan titta på filmen för att se vad ljusmönstret på skärmen är. Just ett sådant experiment genomfördes och faktiskt matchade Youngs version identiskt - alternerande ljusa och mörka band, till synes till följd av våginterferens.

Detta resultat bekräftar och förvirrar vågteorin. I detta fall avges fotoner individuellt. Det finns bokstavligen inget sätt för vågstörningar att ske eftersom varje foton bara kan gå igenom en enda slits åt gången. Men våginterferensen observeras. Hur är detta möjligt? Tja, försöket att besvara den frågan har gett många spännande tolkningar av kvantfysik, från Köpenhamn-tolkningen till tolkningen av många världar.

Det blir ännu främling

Antag nu att du utför samma experiment med en förändring. Du placerar en detektor som kan berätta om foton passerar genom en given slits eller inte. Om vi ​​vet att fotonen passerar genom en slits, kan den inte passera genom den andra slitsen för att störa sig själv.