Thomas Young's Double Slit Experiment

Gedurende de negentiende eeuw waren natuurkundigen het erover eens dat licht zich als een golf gedroeg, grotendeels dankzij het beroemde experiment met dubbele spleten dat werd uitgevoerd door Thomas Young. Gedreven door de inzichten uit het experiment en de golfeigenschappen die het demonstreerde, zocht een eeuw van natuurkundigen naar het medium waardoor licht zwaaide, de lichtgevende ether. Hoewel het experiment het meest opvalt met licht, is het een feit dat dit soort experimenten kan worden uitgevoerd met elk type golf, zoals water. Voorlopig richten we ons echter op het gedrag van licht.

In de vroege jaren 1800 (1801 tot 1805, afhankelijk van de bron) voerde Thomas Young zijn experiment uit. Hij liet licht door een spleet in een barrière gaan, zodat het zich als lichtbron (onder Het principe van Huygens). Dat licht ging op zijn beurt door het paar spleten in een andere barrière (voorzichtig op de juiste afstand van de originele spleet geplaatst). Elke spleet leidde op zijn beurt het licht alsof het ook individuele lichtbronnen waren. Het licht trof een observatiescherm. Dit wordt rechts weergegeven.

Wanneer een enkele spleet open was, had het alleen een impact op het observatiescherm met een grotere intensiteit in het midden en vervaagde toen terwijl je wegging van het centrum. Er zijn twee mogelijke resultaten van dit experiment:

Deeltjesinterpretatie: Als er licht als deeltjes bestaat, is de intensiteit van beide spleten de som van de intensiteit van de individuele spleten.

Wave interpretatie: Als licht bestaat als golven, dan hebben de lichtgolven interferentie volgens het principe van superpositie, waardoor banden van licht (constructieve interferentie) en donker (destructieve interferentie) ontstaan.

Toen het experiment werd uitgevoerd, vertoonden de lichtgolven inderdaad deze interferentiepatronen. Een derde afbeelding die u kunt bekijken, is een grafiek van de intensiteit in termen van positie, die overeenkomt met de voorspellingen van interferentie.

Destijds leek dit overtuigend te bewijzen dat licht in golven reisde, waardoor Huygen's golftheorie, die een onzichtbaar medium bevatte, nieuw leven werd ingeblazen, ether, waardoor de golven zich voortplantten. Verschillende experimenten in de 19e eeuw, met name de beroemde Michelson-Morley-experiment, probeerde de ether of de effecten direct te detecteren.

Ze faalden allemaal en een eeuw later, Einstein's werk in de fotoëlektrisch effect en relativiteit zorgde ervoor dat de ether niet langer nodig was om het gedrag van licht te verklaren. Opnieuw domineerde een deeltjestheorie van licht.

Toch, eens de foton De theorie van het licht kwam tot stand en zei dat het licht alleen in discrete kwanta bewoog, de vraag werd hoe deze resultaten mogelijk waren. In de loop der jaren hebben natuurkundigen dit basisexperiment genomen en op verschillende manieren verkend.

In het begin van de twintigste eeuw bleef de vraag hoe licht - dat nu werd erkend om te reizen in deeltjesachtige "bundels" van gekwantiseerde energie, fotonen genoemd, dankzij Einsteins verklaring van het foto-elektrische effect, zou het gedrag ook kunnen vertonen van golven. Zeker, een stel wateratomen (deeltjes) vormen samen golven. Misschien was dit iets soortgelijks.

Het werd mogelijk om een ​​lichtbron te hebben die zo was ingesteld dat deze één foton tegelijk uitzond. Dit zou letterlijk zijn alsof ze microscopisch kleine kogellagers door de sleuven slingeren. Door een scherm in te stellen dat gevoelig genoeg was om een ​​enkel foton te detecteren, kon je bepalen of er in dit geval wel of geen interferentiepatronen waren.

Een manier om dit te doen is door een gevoelige film op te zetten en het experiment gedurende een bepaalde periode uit te voeren, en vervolgens naar de film te kijken om te zien wat het lichtpatroon op het scherm is. Precies zo'n experiment werd uitgevoerd en kwam in feite identiek overeen met de versie van Young - afwisselend lichte en donkere banden, schijnbaar het gevolg van golfinterferentie.

Dit resultaat bevestigt en verbijstert de golftheorie. In dit geval worden fotonen individueel uitgezonden. Er kan letterlijk geen golfinterferentie plaatsvinden, omdat elk foton slechts door één spleet tegelijk kan gaan. Maar de golfinterferentie wordt waargenomen. Hoe is dit mogelijk? Welnu, de poging om die vraag te beantwoorden heeft tot veel intrigerende interpretaties geleid kwantumfysica, van de interpretatie van Kopenhagen tot de interpretatie van vele werelden.

Stel nu dat u hetzelfde experiment uitvoert, met één wijziging. Je plaatst een detector die kan zien of het foton wel of niet door een bepaalde spleet gaat. Als we weten dat het foton door de ene spleet gaat, kan het niet door de andere spleet gaan om zichzelf te verstoren.

Het blijkt dat wanneer je de detector toevoegt, de banden verdwijnen. Je voert exact hetzelfde experiment uit, maar voegt alleen in een eerdere fase een simpele meting toe, en het resultaat van het experiment verandert drastisch.

Iets over het meten van welke spleet wordt gebruikt, heeft het golfelement volledig verwijderd. Op dit punt werkten de fotonen precies zoals we zouden verwachten dat een deeltje zich gedraagt. De zeer onzekere positie houdt op de een of andere manier verband met de manifestatie van golfeffecten.

Door de jaren heen is het experiment op verschillende manieren uitgevoerd. In 1961 voerde Claus Jonsson het experiment met elektronen uit, en het kwam overeen met het gedrag van Young, waardoor interferentiepatronen op het observatiescherm ontstonden. Jonssons versie van het experiment werd door "verkozen tot het mooiste experiment" Physics World lezers in 2002.

In 1974 kon de technologie het experiment uitvoeren door één elektron tegelijk vrij te geven. Opnieuw kwamen de interferentiepatronen naar voren. Maar als er een detector bij de spleet wordt geplaatst, verdwijnt de storing weer. Het experiment werd in 1989 opnieuw uitgevoerd door een Japans team dat veel verfijndere apparatuur kon gebruiken.

Het experiment is uitgevoerd met fotonen, elektronen en atomen en telkens hetzelfde resultaat wordt duidelijk - iets over het meten van de positie van het deeltje bij de spleet verwijdert de golf gedrag. Er zijn veel theorieën om uit te leggen waarom, maar tot nu toe is veel ervan nog steeds een vermoeden.