تجربة توماس يونغ مزدوجة الشق

طوال القرن التاسع عشر ، كان للفيزيائيين إجماع على أن الضوء تصرف مثل الموجة ، في جزء كبير منه بفضل تجربة الشق المزدوج الشهيرة التي قام بها توماس يونغ. مدفوعًا بالرؤى المستمدة من التجربة ، وخصائص الموجة التي أظهرتها ، بحث قرن من الفيزيائيين عن الوسيط الذي كان الضوء يلوح من خلاله ، الأثير المضيء. على الرغم من أن التجربة هي الأكثر بروزًا مع الضوء ، فإن الحقيقة هي أنه يمكن إجراء هذا النوع من التجارب مع أي نوع من الموجات ، مثل الماء. في الوقت الحالي ، سنركز على سلوك الضوء.

في أوائل القرن التاسع عشر (1801 إلى 1805 ، اعتمادًا على المصدر) ، أجرى توماس يونغ تجربته. سمح للضوء بالمرور عبر شق في حاجز لذلك توسع في جبهات الموجة من ذلك الشق كمصدر للضوء (تحت مبدأ Huygens). هذا الضوء ، بدوره ، مر عبر زوج الشقوق في حاجز آخر (وضع بعناية المسافة الصحيحة من الشق الأصلي). كل شق ، بدوره ، يشتت الضوء كما لو كانت مصادر فردية للضوء. أثر الضوء على شاشة المراقبة. يظهر هذا على اليمين.

عندما تم فتح شق واحد ، أثر ذلك فقط على شاشة المراقبة بكثافة أكبر في المركز ثم تلاشى أثناء انتقالك بعيدًا عن المركز. هناك نتيجتان محتملتان لهذه التجربة:

تفسير الجسيمات: إذا كان الضوء موجودًا كجزيئات ، فإن شدة الشقين ستكون مجموع الشدة من الشقوق الفردية.

تفسير الموجة: إذا كان الضوء موجودًا كموجات ، فستكون موجات الضوء تدخل بموجب مبدأ التراكب، وخلق نطاقات من الضوء (التدخل البناء) والظلام (التدخل المدمر).

عندما أجريت التجربة ، أظهرت موجات الضوء أنماط التداخل هذه بالفعل. الصورة الثالثة التي يمكنك مشاهدتها هي رسم بياني للشدة من حيث الموقع ، والذي يتطابق مع التنبؤات من التداخل.

في ذلك الوقت ، بدا أن هذا يثبت بشكل قاطع أن الضوء سافر في موجات ، مما تسبب في تنشيط نظرية الموجة الضوئية في Huygen ، والتي تضمنت وسيط غير مرئي ، الأثيرالتي تنتشر فيها الأمواج. العديد من التجارب طوال القرن التاسع عشر ، أبرزها الشهرة تجربة ميتشيلسون مورليحاول الكشف عن الأثير أو آثاره مباشرة.

لقد فشلوا جميعًا وبعد قرن من الزمان ، عمل أينشتاين في التأثير الكهروضوئي وأسفرت النسبية عن أن الأثير لم يعد ضروريًا لشرح سلوك الضوء. مرة أخرى ، هيمنت نظرية الجسيمات للضوء.

لا يزال ، بمجرد الفوتون ظهرت نظرية الضوء قائلة إن الضوء يتحرك فقط بكميات منفصلة ، وأصبح السؤال كيف كانت هذه النتائج ممكنة. على مر السنين ، أخذ الفيزيائيون هذه التجربة الأساسية واستكشفوها بعدد من الطرق.

في أوائل القرن العشرين ، ظل السؤال هو كيف الضوء - الذي تم التعرف عليه الآن للسفر في "حزم" تشبه الجسيمات الطاقة الكمية ، التي تسمى الفوتونات ، بفضل تفسير آينشتاين للتأثير الكهروضوئي - يمكن أن تُظهر السلوك أيضًا من الأمواج. من المؤكد أن حفنة من ذرات الماء (الجسيمات) عندما تعمل معا تشكل موجات. ربما كان هذا شيء مشابه.

أصبح من الممكن أن يكون لديك مصدر ضوء تم إعداده بحيث ينبعث منه فوتون واحد في كل مرة. سيكون هذا ، حرفياً ، مثل إلقاء الكرات المجهرية عبر الشقوق. من خلال إعداد شاشة حساسة بما يكفي للكشف عن فوتون واحد ، يمكنك تحديد ما إذا كانت هناك أنماط تداخل في هذه الحالة أم لا.

تتمثل إحدى طرق القيام بذلك في إعداد فيلم حساس وتشغيل التجربة على مدار فترة زمنية ، ثم انظر إلى الفيلم لترى ما هو نمط الضوء على الشاشة. تم إجراء مثل هذه التجربة فقط ، وفي الواقع ، كانت تتطابق مع إصدار Young بشكل متطابق - يتناوب الضوء والنطاقات الداكنة ، على ما يبدو ناتجة عن تداخل الموجة.

تؤكد هذه النتيجة نظرية الموجة وتحيرها. في هذه الحالة ، تنبعث الفوتونات بشكل فردي. حرفيا لا توجد طريقة لتدخل الموجة لأن كل فوتون يمكن أن يمر فقط من خلال شق واحد في كل مرة. ولكن لوحظ تداخل الموجة. كيف يكون هذا ممكنا؟ حسنًا ، أنتجت محاولة الإجابة على هذا السؤال العديد من التفسيرات المثيرة للفضول فيزياء الكم، من تفسير كوبنهاغن إلى تفسير العوالم المتعددة.

افترض الآن أنك تجري نفس التجربة بتغيير واحد. يمكنك وضع كاشف يمكنه معرفة ما إذا كان الفوتون يمر عبر شق معين أم لا. إذا كنا نعلم أن الفوتون يمر من خلال شق واحد ، فإنه لا يمكن أن يمر عبر الشق الآخر ليتداخل مع نفسه.

اتضح أنه عند إضافة الكاشف ، تختفي العصابات. تقوم بإجراء نفس التجربة بالضبط ، ولكن لا تضيف سوى قياس بسيط في مرحلة سابقة ، وتتغير نتيجة التجربة بشكل كبير.

شيء ما حول إجراء القياس الذي يتم استخدامه للشق يزيل عنصر الموجة تمامًا. عند هذه النقطة ، تصرفت الفوتونات تمامًا كما توقعنا أن يتصرف الجسيم. يرتبط عدم اليقين في الموقع ، بطريقة أو بأخرى ، بمظهر تأثيرات الموجة.

على مر السنين ، أجريت التجربة بعدد من الطرق المختلفة. في عام 1961 ، أجرى كلاوس جونسون التجربة مع الإلكترونات ، وتوافق مع سلوك يونغ ، وخلق أنماط التداخل على شاشة المراقبة. تم التصويت على نسخة جونسون من التجربة على أنها "أجمل تجربة" من قبل عالم الفيزياء القراء في عام 2002.

في عام 1974 ، أصبحت التكنولوجيا قادرة على تنفيذ التجربة بإطلاق إلكترون واحد في كل مرة. مرة أخرى ، ظهرت أنماط التداخل. ولكن عندما يتم وضع الكاشف في الشق ، يختفي التداخل مرة أخرى. تم تنفيذ التجربة مرة أخرى في عام 1989 من قبل فريق ياباني كان قادرًا على استخدام معدات أكثر دقة.

تم تنفيذ التجربة باستخدام الفوتونات والإلكترونات والذرات ، وفي كل مرة نفس النتيجة يصبح واضحا - شيء حول قياس موضع الجسيم في الشق يزيل الموجة سلوك. توجد العديد من النظريات لتفسير السبب ، ولكن حتى الآن لا يزال الكثير منها تخمينًا.