Poskus z dvojno režo – kvantna dvojnost svetlobe in delcev
Raziskava poskusa z dvojno režo: razumite kvantno dvojnost svetlobe in delcev, valovno-delecne lastnosti ter njihov pomen za elektrone, tehnologijo in sodobno fiziko.
Poskus z dvojno režo v kvantni mehaniki je poskus, ki ga je zasnoval fizik Thomas Young. Pokazal je, da ima svetloba tako valovno naravo ali lastnost kot tudi naravo ali lastnost delca in da sta ti dve naravi neločljivi. Zato pravimo, da ima svetloba dvojnost valovanja in delcev, ne pa da je samo valovanje ali samo delec. Enako velja za elektrone in druge kvantne delce.
Opis poskusa
V osnovni različici poskusa usmerimo vir (npr. svetlobo ali beam elektronov) proti neprosojni steni z dvema ozkima režama. Za steno na koncu postavimo detektor (npr. zaslon), ki zabeleži, kje delci padejo. Če bi delovali kot klasični delci, bi na zaslonu videli dve senčni coni za režama. Namesto tega pa se pojavi vzorec izmeničnih svetlih in temnih prog — klasičen znak interferenčnega valovanja.
Kaj pokaže interferenčni vzorec
- Valovna stran: Interferenca je posledica seštevanja valovnih komponent, ki potujejo skozi obe reži — območja, kjer se vrhovi valov seštevajo, so svetla; kjer se izničujejo, pa so temna.
- Delčna stran: Kljub valovnemu vzorcu se detektorji vedno zabeležijo posamezne klike ali pike (fotoni ali posamezni elektroni). To kaže, da meritev razkriva diskreten, delčni značaj.
- Gradnja vzorca iz posameznih delcev: Če pošiljamo ena za eno fotone ali elektrone, najprej vidimo naključno porazdeljene pike; z večanjem števila dogodkov se iz njih postopoma izoblikuje interference vzorec.
Merjenje poti in "kollaps" valovne funkcije
Ključno vprašanje je: skozi katero režo je delček šel? Če v poskus uvedemo merilno napravo, ki zabeleži katero-pot informacijo (which-path), interferenčni vzorec izgine in pojavi se porazdelitev, ki jo bi pričakovali od klasičnih delcev. To je povezan pojav z načelom komplementarnosti (Niels Bohr) in s konceptom, da je kvantni sistem opisan z verjetnostnimi amplitudami (valovno funkcijo), ki se ob meritvi 'kolapsirajo' v določeno izmerjeno vrednost.
Kratka kvantna razlaga
- V kvantni mehaniki opišemo posamezen foton ali elektron z valovno funkcijo, katere absolutna kvadrat daje verjetnost najdbe delca na določenem mestu.
- Valovni delci, ki gredo skozi obe reži, imajo amplitude, ki se med seboj seštevajo — to povzroči interferenco v verjetnostni porazdelitvi.
- Meritev, ki določa pot, spremeni koherenco amplitude in uniči interferenco; ta prehod v klasično porazdelitev je povezan z dekoherecenco in z dejanskim postopkom merjenja.
Različice poskusa in sodobne razlage
- Enodelčni poskusi: Sodobne tehnologije omogočajo skladiščenje enega fotona ali elektrona naenkrat; ti poskusi jasno pokažejo, da interferenca nastane tudi, ko posamezni delci prehajajo skozi sistem enega za drugim.
- Odložena izbira (delayed-choice): Wheelerjev poskus odložitve izbire kaže, da odločitev, ali izmeriti pot ali ne, celo po tem, ko je delček že prešel režo, spremeni, ali opazimo interferenco — kar izziva klasične predstave o vzročnosti, a je skladno s kvantno mehaniko.
- Interferenca z več vrstami delcev: Ne le svetloba — tudi elektroni, nevtroni, atomi in celo molekule so pokazali valovne lastnosti v različicah poskusa z dvojno režo.
Pomen in posledice
Poskus z dvojno režo je temeljni poskus, ki osvetljuje kvantno naravo sveta in nasprotujoče si lastnosti kvantnih sistemov. Ima tudi praktične posledice pri razumevanju kvantne informacijske tehnologije, kvantne optike, elektronike in instrumentacije (npr. interferometrije). Hkrati ostaja vir filozofskih vprašanj o naravi realnosti, opazovanja in vloge merjenja v kvantnem svetu.
Opomba: Čeprav je poskus enostaven za zasnovo, njegova polna razlaga zahteva natančno obravnavo kvantne teorije, pojmov kot so koherenca, superpozicija in merjenje ter sodobnih konceptov, kot je dekoherecenca.
Reže; razdalja med zgornjimi stebrički je približno en palec.
Poskus
Ta poskus je zelo preprost. Potrebujemo le napravo z dvojno režo, kot je na sliki, nekaj, kar napravo z dvojno režo drži pri miru, in dober laser, kakršnega uporabljajo delavci za "risanje" ravnih črt pri gradnji. Laser je podprt, tako da ga je mogoče premikati le namenoma. Usmerjen je v središčno točko med obema režama z razdalje približno pol metra. Na drugi strani naprave z dvojno režo se nekaj metrov stran postavi nekaj, kot je filmsko platno ali gladka bela stena. Ko je vse skupaj fiksirano, se pokaže vzorec svetlih in temnih pasov.
Laserji lahko ob določeni količini električne energije proizvedejo enega ali več fotonov. Foton ali fotoni pridejo iz zelo majhne luknje v dobro znanem času. Hitrost svetlobe je znana, zato lahko predvidimo čas, ko se fotoni pojavijo na zaslonu. Ko se fotoni proizvajajo eden za drugim, se na zaslonu prikažejo posamezne svetlobne lise. Če bi bili fotoni valovi, bi pričakovali, da se bodo med potovanjem razširili in prelili po velikem območju zaslona, vendar se to nikoli ne zgodi. Če bi bili fotoni delci, bi pričakovali, da se bodo pojavili v dveh točkah na zaslonu, povezanih z laserjem skozi dve reži na sredini. Toda tudi to se ne zgodi.
Ko je Thomas Young izvedel ta poskus, ni imel laserja. Razumel ga je tako, da si je svetlobo predstavljal kot valovanje vode. Mislil je, da se svetlobni valovi gibljejo od vira svetlobe kot valovi, ki se širijo od kamenčka, spuščenega v ribnik, in da ko fronte valov naletijo na dvojne reže, se prvotni val prebije skozi obe reži in od takrat naprej sta dva različna valova. Enostavno je bilo ugotoviti, kako bosta dva valova medsebojno vplivala na nastanek svetlih in temnih pasov (pogosto imenovanih "robovi") na zaslonu. Rekel je, da je dokazal teorijo, da je svetloba valovanje.
Vendar so se pojavile velike težave. Svetloba se na zaslonu ni prikazovala kot valovi, ki so ga preplavljali. Svetlobo smo razumeli kot roje fotonov, ki so posamezno zadeli zaslon za zaznavanje. In zelo presenetljivo je, da je lahko posamezen foton interferiral sam s seboj, kot da bi bil en sam val, ki je ustrezal staremu opisu valovanja. V napravi z dvojno režo se je razdelil na dva valova, ki sta se nato združila na zaslonu.
Ena in ista naprava, ena odprta reža in dve odprti reži (opazujte 16 robov).
J je razdalja med robovi. J = Dλ/B "D" = razdalja. S2 do F, λ = valovna dolžina, B = razdalja od a do b
Pomen za fiziko
Poskus z dvojno režo je postal klasičen miselni eksperiment, saj je jasno pojasnil osrednje uganke kvantne mehanike.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je poskus z dvojnim režnjem?
O: Poskus z dvojnim režnjem v kvantni mehaniki je poskus, ki ga je leta 1801 prvič izvedel fizik Thomas Young. Pokazal je, da ima svetloba tako valovno kot delčno naravo in da sta ti dve naravi neločljivi.
V: Kdo je prvi izvedel poskus z dvojno režo?
O: Poskus z dvojno režo je leta 1801 prvi izvedel fizik Thomas Young.
V: Kaj pokaže poskus z dvojno režo?
O: Poskus z dvojno režo je pokazal, da ima svetloba tako valovno kot delčno naravo in da sta ti dve naravi neločljivi. Zato pravimo, da ima svetloba dvojnost valovanja in delcev, ne pa da je samo valovanje ali samo delec. Enako velja za elektrone in druge kvantne delce.
V: Ali je mogoče, da je svetloba samo valovanje ali samo delec?
O: Ne, svetloba ne more biti niti samo valovanje niti samo delec; namesto tega ima hkrati lastnosti valovanja in delca - ta pojav je znan kot dvojnost valov in delcev. To velja tudi za elektrone in druge kvantne delce.
V: Kakšno vrsto dvojnosti ima svetloba?
O: Svetloba ima tako imenovano "dvojnost valov in delcev" - kar pomeni, da ima hkrati lastnosti valov in delcev. To velja tudi za elektrone in druge kvantne delce.
V: Ali enako velja tudi za elektrone?
O: Da, enako načelo, da imajo hkrati lastnosti valovanja in delcev - znano kot "dvojnost valov in delcev" - velja tudi za elektrone in druge kvantne delce.
V: Kdaj je ta pojav postal znan kot "dvojnost valov in delcev"?
O: Dvojnost valov in delcev je postala splošno sprejeta, potem ko so poskusi Thomasa Younga leta 1801 z eksperimentom z dvojno režo pokazali, da ima svetloba hkrati lastnosti valov in delcev.
Iskati