Światło… czy to cząsteczka czy fala? Jakie podstawowe mechanizmy rządzą jego zachowaniem? A co najważniejsze, czy sam akt obserwacji zmienia to zachowanie? To jest zagadka, o którą fizycy kwantowi zastanawiają się od wielu stuleci, odkąd teoria mechaniki fal fotonowych została przeprowadzona i po raz pierwszy przeprowadzono eksperyment z podwójną szczeliną.
Znany również jako eksperyment Younga, wiązał się z wiązkami cząstek lub falami spójnymi przechodzącymi przez dwie blisko rozmieszczone szczeliny, których celem było zmierzenie powstałych uderzeń na ekran za nimi. W mechanice kwantowej eksperyment z podwójnymi szczelinami wykazał nierozdzielność fali i natury cząstek światła i innych cząstek kwantowych.
Eksperyment z podwójną szczeliną został po raz pierwszy przeprowadzony przez Thomasa Younga w 1803 roku, chociaż podobno eksperyment Sir Isaaca Newtona przeprowadził w swoim czasie. Podczas oryginalnych eksperymentów Newton świecił światłem na małe włosy, podczas gdy Young używał karty z wyciętym w niej nacięciem. Niedawno naukowcy wykorzystali punktowe źródło światła do oświetlenia cienkiej płyty z dwoma równoległymi szczelinami, a światło przechodzące przez szczeliny uderza w ekran za nimi.
Opierając się na klasycznej teorii cząstek, wyniki eksperymentu powinny odpowiadać szczelinom, a uderzenia w ekran pojawiają się w dwóch pionowych liniach. Tak jednak nie było. Wyniki pokazały w wielu okolicznościach wzorzec interferencji, coś, co mogłoby się zdarzyć tylko przy uwzględnieniu wzorców fal.
Klasyczne cząsteczki nie zakłócają się wzajemnie; po prostu zderzają się. Jeśli klasyczne cząstki są wystrzeliwane w linii prostej przez szczelinę, wszystkie uderzą w ekran wzorem tego samego rozmiaru i kształtu co szczelina. W przypadku dwóch otwartych szczelin powstały wzór będzie po prostu sumą dwóch pojedynczych szczelin (dwie pionowe linie). Ale w kółko eksperyment wykazał, że spójne wiązki światła zakłócają, tworząc wzór jasnych i ciemnych pasm na ekranie.
Jednak pasma na ekranie zawsze były absorbowane, jakby składały się z dyskretnych cząstek (aka. Fotonów). Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, zainstalowano urządzenia pomiarowe do obserwacji fotonów przechodzących przez szczeliny. Kiedy to się stało, fotony pojawiły się w postaci cząstek, a ich uderzenia w ekran odpowiadały szczelinom, drobnym plamkom wielkości cząstek rozmieszczonym w prostych pionowych liniach.
Po umieszczeniu urządzenia obserwacyjnego na miejscu załamała się funkcja falowa fotonów, a światło znów zachowywało się jak klasyczne cząstki! Można to rozwiązać jedynie twierdząc, że światło zachowuje się zarówno jako cząstka, jak i fala, a obserwowanie ich powoduje zawężenie zakresu możliwości behawioralnych do punktu, w którym ich zachowanie staje się ponownie przewidywalne.
Eksperyment z podwójną szczeliną zrodził nie tylko teorię fal fotonowych, ale także uświadomił naukowcom niesamowity, zakłócający świat mechaniki kwantowej, w którym nic nie jest przewidywalne, wszystko jest względne, a obserwator nie jest już obiektem pasywnym , ale aktywny uczestnik mający uprawnienia do zmiany wyniku. Aby zobaczyć animację pokazującą eksperyment z podwójną szczeliną, kliknij tutaj.
Napisaliśmy wiele artykułów na temat eksperymentu Double Slit Experiment for Space Magazine. Oto dyskusja na forum na temat domowego eksperymentu z podwójną szczeliną, a także artykuł o dualizmie cząsteczek fal.
Jeśli chcesz uzyskać więcej informacji na temat eksperymentu z podwójną szczeliną, sprawdź te artykuły z Physorg.com i Space.com.
Nagraliśmy też cały odcinek Astronomy Cast o mechanice kwantowej. Posłuchaj tutaj, odcinek 138: Mechanika kwantowa.
