» » » » » » Experimentul celor două fante

Experimentul celor două fante

Experimentul celor două fante
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Double-slit.svg

(Fotonii sau particulele de materie (la fel ca electronii) produc o rețea de unde atunci când se utilizează două fantei.)

În fizica modernă, experimentul celor două fante este o demonstrație a faptului că lumina și materia pot prezenta caracteristici ale undelor și particulelor definite clasic; în plus, afișează natura fundamental probabilistă a fenomenelor mecanice cuantice. Experimentul original a fost realizat de Davisson și Germer în 1927.

Experimentul celor două fante a fost realizat pentru prima dată de către Thomas Young în 1801. Experimentul său făcea parte din fizica clasică, cu mult înainte de mecanica cuantică și conceptul de dualitate a undelor și particulelor. El a crezut că a demonstrat că teoria undelor luminoase a fost corectă, iar experimentul său este uneori menționat ca experimentul lui Young sau fantele lui Young.

Experimentul face parte dintr-o clasă generală a experimentelor „căii duble”, în care o undă este împărțită în două unde separate, care ulterior se combină într-un singur val. Schimbările în lungimile căilor ambelor valuri determină o schimbare de fază, creând un model de interferență. O altă versiune este interferometrul Mach-Zehnder, care împarte fasciculul cu o oglindă.

În versiunea de bază a acestui experiment, o sursă de lumină coerentă, cum ar fi un fascicul laser, luminează o placă străpunsă de două fante paralele, iar lumina care trece prin fante este observată pe un ecran în spatele plăcii. Natura luminoasă a luminii determină ca undele luminoase care trec prin cele două fante să interfereze, producând benzi luminoase și întunecate pe ecran – un rezultat care nu ar fi de așteptat dacă lumina ar fi constituită din particule clasice. Cu toate acestea, lumina este întotdeauna observată ca fiind absorbită de ecran în puncte discrete, ca particule individuale (nu unde), modelul de interferență care apare prin densitatea variabilă a acestor incidențe de particule pe ecran. Mai mult, versiunile experimentului care includ detectorii la fante arată că fiecare foton detectat trece printr-o singură fanta (ca și o particulă clasică) și nu prin ambele fante (așa cum ar fi o undă). Totuși, astfel de experimente demonstrează că particulele nu formează modelul de interferență dacă se detectează prin care fante trec. Aceste rezultate demonstrează principiul dualității undă-particulă.

Alte entități la scară atomică, cum ar fi electronii, se constată că prezintă același comportament când sunt îndreptate către o fantă dublă. În plus, se constată că detectarea impacturilor individuale discrete este inerent probabilistă, ceea ce este inexplicabil folosind mecanica clasică.

Experimentul se poate face cu entități mult mai mari decât electronii și fotonii, deși devine mai dificilă pe măsura creșterii dimensiunii. Cele mai mari entități pentru care a fost efectuat experimentul cu două fante au fost molecule care fiecare cuprindeau 810 de atomi (a căror masă totală era de peste 10.000 de unități de masă atomică).

Experimentul celor două fante (și variațiile sale) a devenit un experiment clasic de gândire, pentru claritatea sa în exprimarea puzzle-urilor centrale ale mecanicii cuantice. Pentru că demonstrează limitarea fundamentală a capacității observatorului de a prezice rezultatele experimentale, Richard Feynman l-a numit „un fenomen care este imposibil […] să explice în orice mod clasic și care are în el inima mecanicii cuantice. În realitate, el conține singurul mister [al mecanicii cuantice].”

Prezentare generală

Difracție, ansamblu de două fante
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Single_slit_and_double_slit2.jpg

(Același ansamblu de două fante (0,7 mm între fante); în imaginea de sus, o fantă este blocată. În imaginea cu o singură fasntă, se formează un model de difracție (petele slabe de pe ambele părți ale benzii principale) a fantei. O diagramă de difracție este de asemenea observată în imaginea cu două fante, dar la dublul intensității și cu adăugarea mai multor franjuri de interferență. )

Dacă lumina a constat strict din particule obișnuite sau clasice, iar aceste particule au fost direcționate în linie dreaptă printr-o fantă și lăsate să lovească un ecran de cealaltă parte, ne-am aștepta să vedem un model corespunzător mărimii și formei fantei. Cu toate acestea, atunci când se efectuează acest experiment „cu o singură fantă”, modelul de pe ecran este un model de difracție în care lumina este împrăștiată. Cu cât fanta este mai mică, cu atât este mai mare unghiul de răspândire. Partea superioară a imaginii prezintă porțiunea centrală a modelului format atunci când un laser roșu luminează o fantă și, dacă ne uităm atent, se văd două benzi laterale slabe. Mai multe benzi pot fi văzute cu un aparat mai sensibil. Difracția explică faptul că modelul este rezultatul interferenței undelor luminoase din fantă.

(Simularea unei funcții de undă a particulelor: experiment cu două fante. Blurul alb reprezintă particula. Cu cât pixelul este mai alb, cu atât este mai mare probabilitatea de a găsi o particulă în acel loc dacă este măsurată)

Experimentul celor două fante în mecanica cuantică from Nicolae Sfetcu on Vimeo.

Dacă se luminează două fante paralele, lumina din cele două fante intervine din nou. Aici interferența este un model mai pronunțat, cu o serie de benzi alternante de lumină și întunecate. Lățimea benzilor este o proprietate a frecvenței luminii incidente. (Vezi fotografia de jos spre dreapta). Când Thomas Young (1773-1829) a demonstrat pentru prima dată acest fenomen, el a indicat că lumina constă în unde, deoarece distribuția luminozității poate fi explicată prin interferența alternativă aditivă și subtractivă a fronturilor de undă. Experimentul lui Young, realizat la începutul anilor 1800, a jucat un rol esențial în acceptarea teoriei ondulatorii a luminii, învingând teoria corpusculară a luminii propusă de Isaac Newton, modelul acceptat de propagare a luminii în secolele 17 și 18. Cu toate acestea, descoperirea ulterioară a efectului fotoelectric a demonstrat că, în condiții diferite, lumina se poate comporta ca și cum ar fi compusă din particule discrete. Aceste descoperiri aparent contradictorii au făcut necesară depășirea fizicii clasice și luarea în considerare a naturii cuantice a luminii.

Lui Feynman îi plăcea să spună că toate mecanicile cuantice pot fi obținute din gândirea atentă a implicațiilor acestui experiment unic. De asemenea, el a propus (ca un experiment de gândire) că dacă detectoarele ar fi plasate înaintea fiecărei fante, modelul de interferență ar dispărea.

Relația duală Englert-Greenberger oferă un tratament detaliat al matematicii interferenței cu două fante în contextul mecanicii cuantice.

Un experiment cu fantă dublă cu intensitate redusă a fost efectuat pentru prima dată de G. I. Taylor în 1909, prin reducerea nivelului de lumină incidentă până când cele mai multe evenimentele de emisie/absorbție fotonică nu au mai fost suprapuse. Un experiment cu două fante nu a fost realizat cu nimic altceva în afară de lumină până în 1961, când Claus Jönsson de la Universitatea din Tübingen l-a efectuat cu fascicule de electroni. În 1974, fizicienii italieni Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli și Giulio Pozzi au repetat experimentul folosind doar câte un singur electron și biprismă (în loc de fante), arătând că fiecare electron interferă cu el însuși așa cum a fost prezis de teoria cuantică. În 2002, versiunea cu un singur electron a experimentului a fost votată ca „cel mai frumos experiment” de către cititorii Universității de Fizică.

Interpretările experimentului

Ca și experimentul gândit al pisicii lui Schrödinger, experimentul cu două fante este adesea folosit pentru a evidenția diferențele și asemănările dintre diferitele interpretări ale mecanicii cuantice.

Interpretarea de la Copenhaga

Interpretarea de la Copenhaga, prezentată de unii dintre pionierii din domeniul mecanicii cuantice, afirmă că nu este de dorit să punem în practică nimic care depășește formulele matematice și tipurile de aparate și reacții fizice care ne permit să dobândim o cunoaștere a ceea ce se întâmplă pe scara atomică. Unul dintre construcțiile matematice care permite experimentatorilor să prezică foarte precis anumite rezultate experimentale este uneori numit o undă de probabilitate. În forma matematică, este analogă descrierii unei unde fizice, dar „maximele” și „minimele” ei indică niveluri de probabilitate pentru apariția anumitor fenomene (de exemplu, o scânteie de lumină la un anumit punct de pe un ecran detector) care pot fi observate în lumea macro a experienței umane obișnuite.

”Unda” de probabilitate se poate spune că „trece prin spațiu” deoarece valorile de probabilitate care se pot calcula din reprezentarea matematică depind de timp. Nu se poate vorbi despre localizarea oricărei particule, cum ar fi un foton, între momentul emiterii și timpul în care este detectat, pentru că, pentru a spune că ceva este localizat undeva la un moment dat, trebuie să fie detectat. Cerința pentru eventuala apariție a unui model de interferență este aceea că particulele sunt emise și că există un ecran cu cel puțin două căi distincte pe care particulele să se poată deplasa de la emițător la ecranul de detecție. Experimentele nu observă nimic între momentul emisiei particulei și sosirea acesteia pe ecranul de detecție. Dacă o monitorizare a razei este făcută în cazul în care o undă de lumină (așa cum se înțelege în fizica clasică) este suficient de larg pentru a străbate ambele căi, atunci acea monitorizare a razei va prezice cu acuratețe aspectul maximelor și minimelor pe ecranul detectorului atunci când multe particule trec prin aparatul și „creează” treptat modelul de interferență așteptat.

Formularea integrală a căii
Integrala căii Feynman
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Wiener_process_3d.png

(Una dintr-un număr infinit de căi la fel de probabile folosite în integrala căii Feynman. )

Interpretarea de la Copenhaga este similară cu formularea integrală a căii a mecanicii cuantice furnizată de Feynman. Formularea integrală a căii înlocuiește noțiunea clasică a unei singure traiectorii unice pentru un sistem, cu o sumă peste toate traiectoriile posibile. Traiectoriile sunt unite prin integrala funcțională.

Fiecare cale este considerată la fel de probabilă și contribuie astfel cu aceeași valoare. Cu toate acestea, faza acestei contribuții la un anumit punct de-a lungul căii este determinată de acțiunea de-a lungul căii:

Acale(x,y,z,t) = eiS(x,y,z,t)

Toate aceste contribuții sunt apoi adunate împreună, iar mărimea rezultatului final este ridicat la pătrat, pentru a obține repartizarea probabilității pentru poziția unei particule:

p(x,y,z,t) α |∫toate căile eiS(x,y,z,t)|2

Așa cum este întotdeauna cazul când se calculează probabilitatea, rezultatele trebuie apoi normalizate prin impunerea:

∫∫∫tot spațiul p (x, y, z, t) dV = 1

Pentru a rezuma, distribuția probabilității rezultatului este pătratul normalizat al normei suprapunerii, pe toate căile de la punctul de origine până la punctul final, a undelor care se propagă proporțional cu acțiunea de-a lungul fiecărei căi. Diferențele în acțiunea cumulativă de-a lungul căilor diferite (și astfel, fazele relative ale contribuțiilor) generează modelul de interferență observat de experimentul cu două fante. Feynman a subliniat că formula lui este doar o descriere matematică, nu o încercare de a descrie un proces real pe care îl putem măsura.

Interpretarea relațională

Conform interpretării relaționale a mecanicii cuantice, inițial propusă de Carlo Rovelli, observațiile ca cele din experimentul cu dublă fantă rezultă în mod special din interacțiunea dintre observator (dispozitivul de măsurare) și obiectul observat (cu care interacționează fizic), nu orice proprietatea absolută posedată de obiect. În cazul unui electron, dacă este inițial „observat” la o anumită fantă, atunci interacțiunea observator-particulă (foton-electron) include informații despre poziția electronului. Acest lucru împiedică parțial locația eventuală a particulei de pe ecran. Dacă se observă (măsurată cu un foton) nu la o anumită fantă, ci mai degrabă la ecran, atunci nu există nicio informație despre „ce cale” a luat ca parte a interacțiunii, astfel încât poziția electronică „observată” pe ecran este determinată strict prin funcția sa de probabilitate. Acest lucru face ca modelul rezultat pe ecran să fie același ca și cum fiecare electron ar fi trecut prin ambele fante. De asemenea, s-a sugerat că spațiul și distanța sunt relaționale și că un electron poate părea să fie în „două locuri simultan” – de exemplu, la ambele fante – deoarece relațiile sale spațiale cu anumite puncte de pe ecran rămân identice cu ambele locații ale fantelor.

Interpretarea multilplelor-lumi

Fizicianul David Deutsch argumentează în cartea sa Fabrica realității că experimentul cu două fante este o dovadă a interpretării multilplelor-lumi.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *