|
Эксперимент с двумя щелями - это эксперимент в квантовой механике и оптике, демонстрирующий корпускулярно - волновой дуализм электронов, фотонов и других фундаментальных объектов в физике.
Допустим, у нас есть непрозрачная пластина с двумя одинаковыми отверстиями, а также имеется экран, на котором будут отображаться пути следования частиц и волн.
В случае, когда в пластину «стреляют» дискретными частицами (например, камушками), они пролетают сквозь 2 щели и попадают на экран прямо напротив щелей. И «рисуют» на экране только 2 вертикальные полосы.
А если пропускают световую волну через две щели, волна распадается на две отдельные волны, которые распространяются из каждой щели. Когда они сталкиваются они усиливают друг друга и появляются в виде яркой полосы. Комбинация темных и ярких полос известна как интерференционная картина, и ее можно увидеть на экране напротив щелей.
Рисунок 1 -
Пока ничего впечатляющего. Теперь мы знаем, что свет движется как волна. Волны обеих щелей сталкиваются, и только там, где они встречаются, этот рисунок виден на экране за ним.
Но самое странное происходит, когда мы пытаемся провести тот же эксперимент, но с крошечными частицами света, называемыми фотонами.
Если вы заблокируете одну из щелей, и направите фотоны на экран датчика, фотоны будут отображаться на экране датчика в виде точечных уколов, имитируя структуру частиц, создаваемую камушками в предыдущем примере. Исходя из этих данных, мы могли бы предположить, что фотоны являются частицами. Только это не так.
Теперь разблокируем вторую щель и будем запускать фотоны один за другим, оставляя между ними достаточно времени, чтобы у них не было возможности мешать друг другу, будут ли они вести себя как частицы или волны?
Сначала фотоны появляются на экране случайным образом, но по мере того, как их становится все больше и больше, начинает появляться интерференционная картина. Каждый фотон проходил, как бы через 2 щели одновременно и интерферировал сам с собой.
Теперь, вместо того, чтобы испускать кучу фотонов вместе, будет пускать только одиночные фотоны. Учитывая, что это один фотон, и у него нет другой волны для взаимодействия, мы можем сказать, что фотон создаст единственную линию на проекторе, но результат противоречит интуиции; образование на проекторе по-прежнему является интерференционной картиной.
Чтобы исследовать это, ученые создали детектор, который может определить, через какую щель проходит фотон.
Опять же, запускаем фотоны по одному в щели, как делали в предыдущем примере. Детектор обнаруживает, что каждый фотон проходит через одну или другую щель. В этом нет ничего необычного.
Но когда мы смотрим на экран в этом эксперименте, возникает другая картина, которая совпадает с камушками. Похоже, что наблюдение за фотонами заставляет их переключаться с интерференционной картины, создаваемой волнами, на картину, создаваемую частицами.
Рисунок 2 –
Более того - и, возможно, это еще более удивительно - если вы настроите эксперимент с двумя щелями, чтобы определить, через какую щель прошел фотон после того, как фотон уже попал на экран датчика, вы все равно получите рисунок типа камушек на экране датчика. Этот результат предполагает, что обнаружение фотона в будущем влияет на картину, создаваемую фотоном на сенсорном экране в прошлом.
Кажется, что атомы действуют как волны, когда вы не наблюдаете за ними, но как частицы, когда вы наблюдаете.
Рисунок 3 -
Существует множество интерпретаций этого квантового явления.
Копенгагенская интерпретация гласит, что интерференционная картина представляет собой все возможные функции фотона (волновую функцию), и акт наблюдения или измерения заставляет волну выбирать одну из многих альтернатив (коллапс волновой функции).
Другая интерпретация - теория множества миров, которая утверждает, что все возможные состояния волновой функции фотона существуют одновременно, и наше обнаружение - это только этот конкретный пример волновой функции.
Объекты макромира могут находится только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам. И нам остается просто принять это, как аксиому, которая звучит так:
Любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно, пока мы за ним не наблюдаем.
Это явлении прозвали «суперпозицией» частицы, когда ее спин (вектор) находится в двух направлениях. Квантовый объект можно представить, как микроскопический магнитик.
Рисунок 4 -
Чтобы получше понять приведу пример:
Раскрутите на столе монетку. Пока монетка крутиться, у неё нет конкретного значения - орёл или решка. Но как только Вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение Вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя электрон, фотон и т.д.
Do'stlaringiz bilan baham: |
