Young's Double Slit Experiment

Gedurende de negentiende eeuw waren fysici het erover eens dat licht zich als een golf gedroeg, grotendeels dankzij het beroemde experiment met dubbele spleet, uitgevoerd door Thomas Young. Gedreven door de inzichten uit het experiment en de golfeigenschappen die het toonde, zocht een eeuw van fysici het medium waardoor licht wapperde, de lichtgevende ether. Hoewel het experiment het meest opvallend is met licht, is het feit dat dit soort experiment kan worden uitgevoerd met elk type golf, zoals water. Op dit moment zullen we ons echter concentreren op het gedrag van licht.

Wat was het experiment?

In de vroege jaren 1800 (1801 tot 1805, afhankelijk van de bron), voerde Thomas Young zijn experiment uit. Hij liet licht door een spleet in een barrière passeren, zodat het zich als lichtbron (onder het principe van Huygens) in golffronten uit die spleet uitbreidde. Dat licht ging op zijn beurt door het paar gleuven in een andere barrière (zorgvuldig op de juiste afstand van de oorspronkelijke gleuf geplaatst). Elke spleet verborg op zijn beurt het licht alsof het ook individuele lichtbronnen waren. Het licht had invloed op een observatiescherm. Dit wordt rechts weergegeven.

Wanneer een enkele spleet open was, had dit slechts een impact op het observatiescherm met een grotere intensiteit in het midden en vervaagde toen naarmate je wegging van het centrum. Er zijn twee mogelijke resultaten van dit experiment:

Deeltjesinterpretatie: Als licht bestaat als deeltjes, is de intensiteit van beide spleten de som van de intensiteit van de afzonderlijke spleten.

Wave interpretatie: Als licht bestaat als golven, zullen de lichtgolven interferentie hebben volgens het principe van superpositie, waardoor lichtbanden (constructieve interferentie) en donker (destructieve interferentie) ontstaan.

Toen het experiment werd uitgevoerd, vertoonden de lichtgolven inderdaad deze interferentiepatronen. Een derde beeld dat u kunt bekijken is een grafiek van de intensiteit in termen van positie, die overeenkomt met de voorspellingen van interferentie.

Impact van Young's Experiment

In die tijd leek dit overtuigend te bewijzen dat licht in golven reisde, wat een revitalisering veroorzaakte in de golftheorie van Huygen, die een onzichtbaar medium bevatte, ether, waardoor de golven zich voortplanten. Verschillende experimenten in de 19e eeuw, met name het beroemde Michelson-Morley-experiment, probeerden de ether of de effecten ervan direct te detecteren.

Ze faalden allemaal en een eeuw later resulteerde Einsteins werk in het foto-elektrisch effect en de relativiteitstoestand erin dat de ether niet langer nodig was om het gedrag van licht te verklaren. Opnieuw nam een ​​deeltjestheorie van licht de overhand.

Het Double Slit Experiment uitbreiden

Maar toen de fotontheorie van het licht eenmaal was ontstaan ​​en zei dat het licht alleen in discrete kwanta bewoog, werd de vraag hoe deze resultaten mogelijk waren. Door de jaren heen hebben natuurkundigen dit basisexperiment genomen en op een aantal manieren onderzocht.

In de vroege jaren 1900 bleef de vraag hoe licht - waarvan nu werd erkend dat het reisde in deeltjesachtige "bundels" van gekwantiseerde energie, fotonen genoemd, dankzij Einsteins uitleg van het foto-elektrisch effect - ook het gedrag van golven kon vertonen. Zeker, een bos wateratomen (deeltjes) vormen samen golven. Misschien was dit iets vergelijkbaars.

Eén foton tegelijk

Het werd mogelijk om een ​​lichtbron te hebben die zo was ingesteld dat deze één foton per keer uitzond. Dit zou letterlijk hetzelfde zijn als het gooien van microscopische kogellagers door de gleuven. Door een scherm in te stellen dat gevoelig genoeg was om een ​​enkel foton te detecteren, kon je bepalen of er in dit geval wel of geen interferentiepatronen waren.

Een manier om dit te doen is om een ​​gevoelige film op te zetten en het experiment gedurende een bepaalde periode uit te voeren, en vervolgens naar de film te kijken om te zien wat het lichtpatroon op het scherm is. Precies zo'n experiment werd uitgevoerd en het kwam feitelijk overeen met de versie van Young - afwisselend lichte en donkere banden, schijnbaar als gevolg van golfinterferentie.

Dit resultaat bevestigt en verbijstert de golftheorie. In dit geval worden fotonen afzonderlijk uitgezonden. Er is letterlijk geen manier om golfinterferentie te laten plaatsvinden omdat elk foton slechts door een enkele spleet tegelijk kan gaan. Maar de golfinterferentie wordt waargenomen. Hoe is dit mogelijk? Welnu, de poging om die vraag te beantwoorden heeft veel intrigerende interpretaties van de kwantumfysica voortgebracht, van de interpretatie van Kopenhagen tot de interpretatie van de vele werelden.

Het wordt zelfs vreemder

Neem nu aan dat u hetzelfde experiment uitvoert, met één wijziging. U plaatst een detector die kan zien of het foton door een bepaalde spleet gaat. Als we weten dat het foton door de ene spleet gaat, kan het niet door de andere spleet passeren om zichzelf te verstoren.