Thomas Youngs Doppelspaltexperiment

Während des gesamten neunzehnten Jahrhunderts waren sich die Physiker einig, dass sich Licht wie eine Welle verhält, was zum großen Teil dem berühmten Doppelspaltexperiment von Thomas Young zu verdanken ist. Angetrieben von den Erkenntnissen aus dem Experiment und den Welleneigenschaften, die es zeigte, suchte ein Jahrhundert von Physikern das Medium, durch das Licht wehte, das leuchtender Äther. Obwohl das Experiment mit Licht am bemerkenswertesten ist, ist die Tatsache, dass diese Art von Experiment mit jeder Art von Welle wie Wasser durchgeführt werden kann. Im Moment konzentrieren wir uns jedoch auf das Verhalten von Licht.

In den frühen 1800er Jahren (1801 bis 1805, je nach Quelle) führte Thomas Young sein Experiment durch. Er ließ Licht durch einen Schlitz in einer Barriere hindurch, so dass es sich in Wellenfronten von diesem Schlitz als Lichtquelle (darunter) ausdehnte Huygens 'Prinzip). Dieses Licht ging wiederum durch das Schlitzpaar in einer anderen Barriere (sorgfältig im richtigen Abstand vom ursprünglichen Schlitz platziert). Jeder Schlitz beugte seinerseits das Licht, als wären sie auch einzelne Lichtquellen. Das Licht traf auf einen Beobachtungsbildschirm. Dies ist rechts dargestellt.

Wenn ein einzelner Schlitz geöffnet war, wirkte er lediglich mit größerer Intensität auf den Beobachtungsbildschirm in der Mitte und verblasste dann, wenn Sie sich von der Mitte entfernten. Es gibt zwei mögliche Ergebnisse dieses Experiments:

Partikelinterpretation: Wenn Licht als Partikel vorhanden ist, ist die Intensität beider Schlitze die Summe der Intensität der einzelnen Schlitze.

Welleninterpretation: Wenn Licht als Wellen existiert, haben die Lichtwellen Interferenz nach dem Prinzip der Überlagerung, Erzeugung von Lichtbändern (konstruktive Interferenz) und Dunkelbändern (destruktive Interferenz).

Als das Experiment durchgeführt wurde, zeigten die Lichtwellen tatsächlich diese Interferenzmuster. Ein drittes Bild, das Sie anzeigen können, ist eine grafische Darstellung der Intensität in Bezug auf die Position, die mit den Vorhersagen von Interferenzen übereinstimmt.

Zu dieser Zeit schien dies schlüssig zu beweisen, dass sich Licht in Wellen bewegte, was zu einer Wiederbelebung von Huygens Wellentheorie des Lichts führte, die ein unsichtbares Medium enthielt. Äther, durch die sich die Wellen ausbreiteten. Mehrere Experimente im Laufe des 19. Jahrhunderts, vor allem die berühmten Michelson-Morley-Experimentversuchten, den Äther oder seine Wirkungen direkt zu erfassen.

Sie alle scheiterten und ein Jahrhundert später Einsteins Arbeit in der photoelektrischer Effekt und die Relativitätstheorie führte dazu, dass der Äther nicht mehr notwendig war, um das Verhalten des Lichts zu erklären. Wieder dominierte eine Teilchentheorie des Lichts.

Immer noch einmal die Photon Es entstand die Theorie des Lichts, wonach sich das Licht nur in diskreten Quanten bewegte. Die Frage wurde, wie diese Ergebnisse möglich waren. Im Laufe der Jahre haben Physiker dieses grundlegende Experiment auf verschiedene Weise untersucht.

In den frühen 1900er Jahren blieb die Frage, wie leicht - was nun erkannt wurde, um sich in partikelartigen "Bündeln" von zu bewegen Quantisierte Energie, Photonen genannt, könnte dank Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts ebenfalls das Verhalten zeigen von Wellen. Sicherlich bilden ein Bündel von Wasseratomen (Partikeln) beim Zusammenwirken Wellen. Vielleicht war das etwas Ähnliches.

Es wurde möglich, eine Lichtquelle zu haben, die so eingerichtet war, dass sie jeweils ein Photon emittierte. Dies wäre buchstäblich so, als würde man mikroskopisch kleine Kugellager durch die Schlitze schleudern. Indem Sie einen Bildschirm einrichten, der empfindlich genug ist, um ein einzelnes Photon zu erfassen, können Sie feststellen, ob in diesem Fall Interferenzmuster vorhanden sind oder nicht.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, einen empfindlichen Film einzurichten und das Experiment über einen bestimmten Zeitraum durchzuführen. Schauen Sie sich dann den Film an, um zu sehen, wie das Lichtmuster auf dem Bildschirm aussieht. Genau ein solches Experiment wurde durchgeführt und stimmte tatsächlich mit Youngs Version identisch überein - abwechselnd helle und dunkle Bänder, die anscheinend auf Welleninterferenzen zurückzuführen waren.

Dieses Ergebnis bestätigt und verwirrt die Wellentheorie. In diesem Fall werden Photonen einzeln emittiert. Es gibt buchstäblich keine Möglichkeit für Welleninterferenzen, da jedes Photon jeweils nur einen einzelnen Spalt durchlaufen kann. Die Welleninterferenz wird jedoch beobachtet. Wie ist das möglich? Nun, der Versuch, diese Frage zu beantworten, hat viele faszinierende Interpretationen von hervorgebracht Quantenphysik, von der Kopenhagener Interpretation bis zur Vielwelteninterpretation.

Nehmen Sie nun an, dass Sie dasselbe Experiment mit einer Änderung durchführen. Sie platzieren einen Detektor, der erkennen kann, ob das Photon einen bestimmten Spalt passiert oder nicht. Wenn wir wissen, dass das Photon einen Spalt passiert, kann es den anderen Spalt nicht passieren, um sich selbst zu stören.

Es stellt sich heraus, dass beim Hinzufügen des Detektors die Bänder verschwinden. Sie führen genau das gleiche Experiment durch, fügen jedoch erst in einer früheren Phase eine einfache Messung hinzu, und das Ergebnis des Experiments ändert sich drastisch.

Durch das Messen des verwendeten Schlitzes wurde das Wellenelement vollständig entfernt. Zu diesem Zeitpunkt wirkten die Photonen genau so, wie wir es von einem Teilchen erwarten würden. Die Unsicherheit in der Position hängt irgendwie mit der Manifestation von Welleneffekten zusammen.

Im Laufe der Jahre wurde das Experiment auf verschiedene Arten durchgeführt. 1961 führte Claus Jonsson das Experiment mit Elektronen durch, das dem Verhalten von Young entsprach und Interferenzmuster auf dem Beobachtungsbildschirm erzeugte. Jonssons Version des Experiments wurde von zum "schönsten Experiment" gewählt Physikwelt Leser im Jahr 2002.

1974 konnte die Technologie das Experiment durchführen, indem jeweils ein Elektron freigesetzt wurde. Wieder zeigten sich die Interferenzmuster. Wenn jedoch ein Detektor am Schlitz platziert wird, verschwindet die Interferenz erneut. Das Experiment wurde 1989 erneut von einem japanischen Team durchgeführt, das viel raffiniertere Geräte verwenden konnte.

Das Experiment wurde mit Photonen, Elektronen und Atomen durchgeführt und jedes Mal das gleiche Ergebnis erzielt wird offensichtlich - etwas über das Messen der Position des Partikels am Schlitz entfernt die Welle Verhalten. Es gibt viele Theorien, um zu erklären, warum, aber bisher ist vieles noch eine Vermutung.