Πείραμα διπλής σχισμής του Young
Το πείραμα διπλής σχισμής στην κβαντομηχανική είναι ένα πείραμα που επινόησε ο φυσικός Thomas Young. Δείχνει ότι το φως έχει τόσο κυματική φύση ή χαρακτηριστικό όσο και σωματιδιακή φύση ή χαρακτηριστικό, και ότι αυτές οι φύσεις είναι αδιαχώριστες. Έτσι το φως λέγεται ότι έχει κυματοσωματιδιακό δυϊσμό και όχι ότι είναι μόνο κύμα ή μόνο σωματίδιο. Το ίδιο ισχύει και για τα ηλεκτρόνια και άλλα κβαντικά σωματίδια.
Οι σχισμές- απόσταση μεταξύ των κορυφαίων στύλων περίπου μία ίντσα.
Το πείραμα
Αυτό το πείραμα είναι πολύ απλό. Απαιτεί μόνο μια συσκευή διπλής σχισμής όπως αυτή της εικόνας, κάτι για να κρατάει ακίνητη τη συσκευή διπλής σχισμής και ένα καλό λέιζερ, όπως αυτό που χρησιμοποιούν οι εργάτες για να "σχεδιάζουν" ευθείες γραμμές όταν χτίζουν. Το λέιζερ στηρίζεται έτσι ώστε να μπορεί να μετακινηθεί μόνο επίτηδες. Στοχεύει στο κεντρικό σημείο μεταξύ των δύο σχισμών από ένα σημείο περίπου μισό μέτρο μακριά. Στην άλλη πλευρά της συσκευής διπλής σχισμής, αρκετά μέτρα μακριά, τοποθετείται κάτι σαν οθόνη κινηματογράφου ή ένας λείος λευκός τοίχος. Όταν όλα είναι σταθερά, θα εμφανιστεί ένα μοτίβο από φωτεινές και σκοτεινές ζώνες.
Τα λέιζερ μπορούν να παράγουν ένα ή περισσότερα φωτόνια όταν τους δοθεί μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. Το φωτόνιο ή τα φωτόνια βγαίνουν από μια πολύ μικρή τρύπα μέσα σε ένα γνωστό χρονικό διάστημα. Η ταχύτητα του φωτός είναι γνωστή, οπότε ο χρόνος εμφάνισης των φωτονίων στην οθόνη μπορεί να προβλεφθεί. Όταν τα φωτόνια παράγονται ένα προς ένα, αυτό που εμφανίζεται στην οθόνη είναι μεμονωμένες κηλίδες φωτός. Αν τα φωτόνια ήταν κύματα, τότε θα περιμέναμε ότι θα απλώνονταν καθώς ταξιδεύουν και θα εκτείνονταν σε μια μεγάλη περιοχή της οθόνης, αλλά αυτό δεν συμβαίνει ποτέ. Αν τα φωτόνια ήταν σωματίδια, τότε θα περιμέναμε να εμφανιστούν σε δύο σημεία της οθόνης που συνδέονται με το λέιζερ μέσω των δύο σχισμών στη μέση. Αλλά ούτε αυτό συμβαίνει.
Όταν ο Thomas Young έκανε αυτό το πείραμα, δεν είχε λέιζερ. Το κατάλαβε φανταζόμενος ότι το φως είναι σαν κύματα νερού. Σκέφτηκε ότι τα κύματα φωτός κινούνται από την πηγή φωτός όπως τα κύματα που απλώνονται από ένα βότσαλο που πέφτει σε μια λίμνη, και ότι όταν τα μέτωπα των κυμάτων χτυπούν τις διπλές σχισμές, τότε το αρχικό κύμα περνάει στις δύο σχισμές και από εκεί και πέρα υπάρχουν δύο διαφορετικά κύματα. Ήταν εύκολο να καταλάβουμε πώς δύο κύματα θα αλληλεπιδρούσαν για να παράγουν τις φωτεινές και τις σκοτεινές ζώνες (που συχνά αποκαλούνται "κροσσοί") στην οθόνη. Είπε ότι είχε αποδείξει τη θεωρία ότι το φως είναι κύματα.
Υπήρχαν όμως μεγάλα προβλήματα. Το φως δεν εμφανιζόταν στην οθόνη ως κύματα που την περιτριγύριζαν. Το φως άρχισε να γίνεται αντιληπτό ως σμήνος φωτονίων που χτυπούσαν μεμονωμένα την οθόνη ανίχνευσης. Και, προς μεγάλη έκπληξη, ένα μεμονωμένο φωτόνιο μπορούσε να παρεμβάλλεται με τον εαυτό του σαν να ήταν ένα μεμονωμένο κύμα που ταίριαζε στην παλιά περιγραφή των κυμάτων. Χωριζόταν σε δύο κύματα στη συσκευή διπλής σχισμής και στη συνέχεια συνδυάζονταν στην οθόνη.
Ίδια συσκευή, μία σχισμή ανοιχτή έναντι δύο σχισμών ανοιχτών (σημειώστε τους 16 κροσσούς).
J είναι η απόσταση μεταξύ των κροσσών. J = Dλ/B "D" = απόσταση. S2 προς F, λ = μήκος κύματος, B = απόσταση a προς b
Σημασία για τη φυσική
Το πείραμα της διπλής σχισμής έγινε κλασικό πείραμα σκέψης για τη σαφή εξήγηση των κεντρικών αινιγμάτων της κβαντομηχανικής.
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Q: Τι είναι το πείραμα διπλής σχισμής;
A: Το πείραμα διπλής σχισμής στην κβαντομηχανική είναι ένα πείραμα, το οποίο διεξήχθη για πρώτη φορά από τον φυσικό Τόμας Γιανγκ το 1801. Δείχνει ότι το φως έχει τόσο κυματική όσο και σωματιδιακή φύση, και ότι αυτές οι φύσεις είναι αδιαχώριστες.
Ερώτηση: Ποιος εκτέλεσε πρώτος το πείραμα διπλής σχισμής;
Α: Το πείραμα διπλής σχισμής εκτελέστηκε για πρώτη φορά από τον φυσικό Thomas Young το 1801.
Ερ: Τι δείχνει το πείραμα διπλής σχισμής;
Α: Το πείραμα διπλής σχισμής δείχνει ότι το φως έχει τόσο κυματική όσο και σωματιδιακή φύση και ότι οι φύσεις αυτές είναι αδιαχώριστες. Έτσι, το φως λέγεται ότι έχει κυματοσωματιδιακή δυαδικότητα και όχι ότι είναι μόνο κύμα ή μόνο σωματίδιο. Το ίδιο ισχύει και για τα ηλεκτρόνια και άλλα κβαντικά σωματίδια.
Ερ: Είναι δυνατόν το φως να είναι είτε μόνο κύμα είτε μόνο σωματίδιο;
Α: Όχι, δεν είναι δυνατόν το φως να είναι είτε μόνο κύμα είτε μόνο σωματίδιο- αντίθετα, έχει ταυτόχρονα και τις ιδιότητες των κυμάτων και των σωματιδίων - το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως δυϊσμός κύματος-σωματιδίου. Αυτό ισχύει επίσης για τα ηλεκτρόνια και άλλα κβαντικά σωματίδια.
Ερ: Τι είδους δυαδικότητα έχει το φως;
Α: Το φως έχει αυτό που είναι γνωστό ως "κυματοσωματιδιακός δυϊσμός" - δηλαδή έχει ταυτόχρονα και τις ιδιότητες των κυμάτων και των σωματιδίων. Αυτό ισχύει επίσης για τα ηλεκτρόνια και άλλα κβαντικά σωματίδια.
Ερ: Ισχύει το ίδιο και για τα ηλεκτρόνια;
Α: Ναι, η ίδια αρχή της ταυτόχρονης ύπαρξης των ιδιοτήτων τόσο των κυμάτων όσο και των σωματιδίων - γνωστή ως "δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου" - ισχύει και για τα ηλεκτρόνια και άλλα κβαντικά σωματίδια.
Ερ: Πότε αυτό το φαινόμενο έγινε γνωστό ως "κυματοσωματιδιακός δυϊσμός";
Α: Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου έγινε ευρέως αποδεκτή μετά τα πειράματα του Thomas Young το 1801 με το πείραμα της διπλής σχισμής που έδειξαν ότι το φως είχε ταυτόχρονα και τις δύο ιδιότητες των κυμάτων και των σωματιδίων
