XIX sajandi vältel olid füüsikud üksmeelel selles, et valgus käitus nagu laine, suuresti tänu kuulsale topeltpilu katsele, mille viis läbi Thomas Youngi. Eksperimendi teadmiste ja selle demonstreeritud laineomaduste ajendil otsisid füüsikud sajandil keskkonda, mille kaudu valgus lainetas, helendav eeter. Kuigi katse on kõige tähelepanuväärsem valguse osas, on tõsiasi, et sedalaadi eksperimenti saab läbi viia mis tahes tüüpi lainetega, näiteks veega. Praegu keskendume siiski valguse käitumisele.
Mis oli eksperiment?
1800. aastate alguses (sõltuvalt allikast 1801–1805) viis Thomas Young läbi oma eksperimendi. Ta laskis valgust läbida tõkkepilus oleva pilu, nii et see laienes valgusallikana (all Huygeni põhimõte). See tuli omakorda läbis pilu paari teise tõkkega (asetage algsest pilust ettevaatlikult õiget kaugust). Iga pilu omakorda hajutas valgust, nagu oleksid nad ka üksikud valgusallikad. Valgus tabas vaateekraani. Seda näidatakse paremal.
Kui üks pilu oli avatud, põrkas see ainult keskpunkti suurema intensiivsusega vaateekraanile ja tuhmus siis, kui te keskusest eemale liikusite. Sellel katsel on kaks võimalikku tulemust:
Osakeste tõlgendamine: Kui valgus eksisteerib osakestena, on mõlema pilu intensiivsus üksikute pilude intensiivsuse summa.
Lainetõlgendus: Kui valgus eksisteerib lainetena, on sellel ka valguslaineid sekkumine superpositsiooni põhimõtte kohaselt, luues valguse (konstruktiivsed häired) ja tumedad (hävitavad häiringud) ribasid.
Katse läbiviimisel näitasid valguslained tõepoolest neid häirete mustreid. Kolmas pilt, mida saate vaadata, on asukoha intensiivsuse graafik, mis sobib häirete ennustustega.
Youngi eksperimendi mõju
Tol ajal näis see veenvalt tõestavat, et valgus liikus lainetes, põhjustades taaselustamist Huygeni valguse laineteoorias, mis hõlmas ka nähtamatut keskkonda, eeter, mille kaudu lained levivad. Mitu katset 1800-ndate aastate jooksul, eriti kuulsad Michelson-Morley eksperiment, proovisid eetrit või selle mõjusid otseselt tuvastada.
Nad kõik ebaõnnestusid ja sajand hiljem algas Einsteini töö fotoelektriline efekt ja relatiivsusteooria tõttu ei olnud eetrit enam vaja valguse käitumise selgitamiseks. Jälle domineeris valguse osakeste teooria.
Topeltpiluga katse laiendamine
Ikka, kord footon tekkis valguse teooria, öeldes, et valgus liikus ainult diskreetsetes kvantides, tekkis küsimus, kuidas need tulemused on võimalikud. Aastate jooksul on füüsikud selle põhikatse teinud ja seda mitmel viisil uurinud.
1900. aastate alguses püsis küsimus, kui kerge - mida tunti nüüd osakestetaoliste "kimpudena" liikumas tänu Einsteini selgitusele fotoelektrilise efekti kohta - kvantitud energia, mida nimetatakse footoniteks - võiks ka käitumist näidata lainetest. Kindlasti moodustab hunnik vee aatomeid (osakesi) koos tegutsedes laineid. Võib-olla oli see midagi sarnast.
Üks footon korraga
See sai võimalikuks valgusallika, mis oli üles seatud nii, et see kiirgaks ühte footoni korraga. See oleks sõna otseses mõttes nagu mikroskoopiliste kuullaagrite viskamine pilude kaudu. Seadistades ühe footoni tuvastamiseks piisavalt tundliku ekraani, saate kindlaks teha, kas antud juhul oli häirete mustreid või mitte.
Üks viis selleks on tundliku filmi üles seadmine ja katse läbiviimine teatud aja jooksul, seejärel vaadake filmi, et näha, milline on ekraanil olev valgusmuster. Just selline katse viidi läbi ja tegelikult sobis see Youngi versiooniga identselt - vahelduvad heledad ja tumedad ribad, mis näisid tulenevad lainete häiretest.
See tulemus nii kinnitab kui ka segab laineteooriat. Sel juhul eraldatakse footonid individuaalselt. Lainehäireid sõna otseses mõttes ei toimu, sest iga footon saab korraga läbida ainult ühe pilu. Kuid täheldatakse lainete häireid. Kuidas on see võimalik? Katse sellele küsimusele vastata on tekitanud palju intrigeerivaid tõlgendusi kvantfüüsika, Kopenhaageni tõlgendusest mitmemaailmse tõlgenduseni.
See läheb veelgi võõramaks
Oletame nüüd, et viite sama katse läbi ühe muudatusega. Panite detektori, mis annab teada, kas footon läbib antud pilu või mitte. Kui me teame, et footon läbib ühte pilu, siis ei saa see teist pilu läbi pääseda, et ennast häirida.
Selgub, et detektori lisamisel kaovad ribad. Teete täpselt sama eksperimendi, kuid lisate lihtsa mõõtmise ainult varasemas etapis ja katse tulemus muutub drastiliselt.
Midagi kasutatud pilu mõõtmisest eemaldas laineelemendi täielikult. Sel hetkel käitusid footonid täpselt nii, nagu me eeldaksime osakese käitumist. Väga ebakindel positsioon on kuidagi seotud lainefektide avaldumisega.
Veel osakesi
Aastate jooksul on eksperimenti läbi viidud mitmel erineval viisil. 1961. aastal viis Claus Jonsson eksperimendi läbi elektronidega ja see vastas Youngi käitumisele, luues häireekraanid vaatluskuvale. Jonsson eksperimendi versiooni hääletas "kõige ilusamaks eksperimendiks" Füüsika maailm lugejad 2002. aastal.
1974. aastal sai tehnoloogia katse läbi viia, vabastades korraga ühe elektroni. Jälle ilmnesid segamisharjumused. Kui pilu asetatakse detektorisse, kaob häire jälle. Seda katset viis 1989. aastal uuesti läbi Jaapani meeskond, kes suutis kasutada palju täiuslikumaid seadmeid.
Katse viidi läbi footonite, elektronide ja aatomitega ning iga kord sama tulemus muutub ilmseks - midagi osakese asendi mõõtmise kohta pilus eemaldab laine käitumine. Paljud teooriad on olemas, et selgitada, miks, kuid siiani on suur osa sellest siiski oletus.