Двойният процеп: експериментът на Йънг и дуалността вълна-частица

Двойният процеп на Йънг: разгадайте дуалността вълна-частица — история, експеримент и доказателства, които промениха разбирането ни за квантовата физика.

Експериментът с двойния процеп в квантовата механика е експеримент, който е проведен за първи път от физика Томас Йънг през 1801 г. Той показва, че светлината има както вълнова природа или характеристика, така и природа или характеристика на частица, и че тези природи са неразделни. Затова се казва, че светлината има дуалност вълна-частица, а не е само вълна или само частица. Същото важи и за електроните и другите квантови частици.

Как е устроен експериментът

В класическия вариант на експеримента източник на светлина (или частиците) осветява непрозрачен екран, в който са пробити два тесни успоредни процепа. Зад екрана се поставя фоточувствителна повърхност (екран или детекторен масив), която регистрира падащата интензивност (или броя импактите на частиците). Ако през процепите преминава вълна, на задния екран се наблюдава система от ярки и тъмни ивици — т.нар. интерференчни ивици, резултат от конструктивна и деструктивна интерференция на вълните, които излизат от двата процепа.

Какво показва експериментът

Основните наблюдения са:

• При непрекъсната светлинна вълна се появява ясно интерференчно изображение (ярки ивици).
• Когато източникът се отслабва до степен, че през експеримента преминава по една частица (фотон, електрон) наведнъж, на детектора първоначално се появяват единични импакти. С времето, когато се натрупат много такива импакти, тяхното разпределение образува същите интерференчни ивици.
• Ако се инсталира устройство, което определя през кой процеп е минала частицата (т.нар. "информация за пътя"), интерференцията изчезва и се наблюдава просто сумата от две отделни дифракционни картини — поведение като частица.

Тези резултати демонстрират, че квантовите обекти не са изцяло "частици" или изцяло "вълни" в класическия смисъл, а притежават дуална природа, която става видима в зависимост от вида на наблюдението и уредбата.

Обяснение в рамките на квантовата механика

В квантовата теория състоянието на частицата се описва чрез вълнова функция ψ. Вероятността да бъде регистрирана частица в дадена точка на екрана е свързана с |ψ|². Когато има два процепа, вълновата функция е сума от вълновите функции, минаващи през всеки процеп, и следователно |ψ1 + ψ2|² съдържа интерференчни членове, които дават ярките ивици. Ако се получи информация за пътя (която път-кохерентност се разрушава), интерференчните членове се загубват — процес, който често се описва чрез декохеренция или колапс на вълновата функция при измерване.

Интерпретации и значение

Експериментът с двойния процеп е отправна точка за философските и физичните дискусии за природата на измерването в квантовата механика. Някои ключови идеи:

• Принцип на допълняемостта (Bohr): вълновите и корпускуларните описания са допълващи се; изборът на експерименталната уредба определя кой аспект ще бъде наблюдаван.
• Хайзенбергова неопределеност: опитите да се измери пътят на частицата въвеждат нарушаване на кохерентността точната информация за импулса/фаза и водят до изчезване на интерференцията.
• Алтернативни интерпретации (много-святова, де Бройл–Бохм и т.н.) предлагат различни обяснения за това как се проявява резултатът от измерването, но всички трябва да съответстват на експерименталните данни.

Модерни варианти и практически приложения

След първоначалните опити с видима светлина, двойният процеп е повторен и с електрони, неутрони, атоми и дори молекули (например C60 — "фулерените"), показвайки, че явлението е универсално за квантовите обекти. Това има практични последици:

• Потвърждава вълновата природа на материалните частици чрез де Бройловата връзка λ = h/p (свързваща импулса p с вълновата дължина λ).
• Дава основа за технологии, които използват кохерентност и интерференция — квантова интерферометрия, прецизни измервания и принципи, важни за разработването на квантови компютри и сензори.

Ключови изводи

• Двойният процеп демонстрира, че квантовите обекти проявяват както вълнови, така и корпускуларни свойства — това е т.нар. дуалност вълна-частица.
• Интерференцията е резултат от суперпозирането на вероятностни амплитуди; наличието на информация за пътя унищожава интерференчния феномен.
• Експериментът е не само исторически важен (Йънг), но и централно доказателство в съвременната физика, което продължава да вдъхновява изследвания в фундаменталната наука и приложенията.

Експериментът

Основната версия на този експеримент е много проста. Необходими са само устройство с двоен процеп, подобно на това на снимката, нещо, което да държи устройството с двоен процеп неподвижно, и добър лазер, например такъв, какъвто се използва от работниците, за да "чертаят" прави линии, когато строят. Лазерът е подпрян, така че да може да се премества само по предназначение. Той се насочва към централната точка между двата процепа от разстояние около половин метър. От другата страна на устройството с два процепа на разстояние няколко метра се поставя нещо като филмов екран или гладка бяла стена. Когато всичко е фиксирано, ще се появи модел от светли и тъмни ленти.

Лазерите могат да произвеждат един или повече фотони, когато им се подаде определено количество електроенергия. Фотонът или фотоните излизат от много малка дупка за известен период от време. Скоростта на светлината е известна, така че времето, за което фотоните се появяват на екрана, може да се предвиди. Когато фотоните се произвеждат един по един, това, което се появява на екрана, са отделни светлинни петна. Ако фотоните бяха вълни, тогава бихме очаквали те да се разпространят по време на движението си и да се разпръснат върху голяма площ от екрана, но това никога не се случва. Ако фотоните бяха частици, тогава щяхме да очакваме да се появят в две точки на екрана, свързани с лазера през двата процепа в средата. Но и това не се случва.

Когато Томас Йънг прави този експеримент, той няма лазер. Разбрал го, като си представил, че светлината е като водни вълни. Мислел си, че светлинните вълни се движат от източника на светлина като вълни, разпространяващи се от камъче, пуснато в езеро, и че когато фронтовете на вълните се ударят в двойния процеп, тогава първоначалната вълна преминава през двата процепа и оттам нататък има две различни вълни. Беше лесно да се разбере как двете вълни ще си взаимодействат, за да се получат светлите и тъмните ивици (често наричани "ресни") на екрана. Той каза, че е доказал теорията, че светлината е вълна.

Но имаше големи проблеми. Светлината не се появяваше на екрана като вълни, които го обливат. Светлината започна да се разбира като рояци фотони, които поотделно се удрят в екрана за откриване. И, много изненадващо, един фотон можел да интерферира сам със себе си, сякаш е единична вълна, която отговаряла на старото описание на вълните. Той се разделяше на две вълни в устройството за двойни прорези, които след това се обединяваха в екрана.

 
J е разстоянието между ресни. J = Dλ/B "D" = разстоянието. S2 до F, λ = дължина на вълната, B = разстояние от a до b  


Същото устройство, един отворен процеп срещу два отворени процепа (Обърнете внимание на 16-те ресни.)  

Значение за философията

Експериментът с двойния процеп е от голям интерес за философите, тъй като квантовомеханичното поведение, което показва, ги принуждава да преосмислят представите си за класическите понятия като:

• "частици",
• "вълни",
• "местоположение",
• "движение от едно място на друго" и
• "наблюдение".

Опитът в микросвета на субатомните частици ни кара да преосмислим някои от най-обикновените си идеи.^[why?]

Други уебсайтове

• Квантовата физика обяснява експеримента с двойния процеп (карикатура от филма "Какво, по дяволите, знаем?")
• Филм за експеримент с двоен процеп, проведен с електрони. Можете да видите как отделни електрони се удрят в екрана и как ресните се натрупват с течение на времето.

 
Движеща се картина, показваща как една серия вълни попада в двоен процеп и създава две серии вълни, които интерферират една с друга.  

Въпроси и отговори

В: Какво представлява експериментът с двойния процеп?

Въпрос: Кой пръв провежда експеримента с двойния процеп?

В: Какво показва експериментът с двойния процеп?

Въпрос: Възможно ли е светлината да бъде или само вълна, или само частица?

Въпрос: Какъв вид двойственост притежава светлината?

В: Същото важи ли и за електроните?

Въпрос: Кога това явление стана известно като "дуализъм вълна-частица"?

Търсене по буква