Войти
Фотоны или частицы материи (например свет от зеленого лазера, проходящий через щели шириной 0,4 мм и разносом 0,1 мм В современной физике эксперимент с двумя щелями - демонстрация того, что свет и материя могут отображать характеристики как классические волнения, так и частицы; кроме того, он отображает фундаментально вероятностную природу квантово-механических явлений. В 1927 году Дэвиссон и Гермер демонстрирует поведение волнового поведения света. 30>классической физики задолго до квантовой механики концепции и дуальности волны-частица. Действало правильность волновой теории света, и его эксперимент иногда запускается как эксперимент Юнга или щели Юнга.
Эксперимент относится к обще му классу экспериментов по «двойному пути», в которой волна разбивается на две отдельные волны, которые позже объединяются в одну волну. Изменения пути возникновения к сдвигу фазы , создавая интерференционную картину. Другая версия - интерферометр Маха - Цендера, который разделяет луч зеркалом.
В этой версии эксперимента когерентный источник света, например Луч лазера освещает пластину, пронизанными двумя параллельными щелями, и свет, проходящий через щели, наблюдается на экране за пластиной. Волновая природа заставляет световые волны, проходящие через две щели, интерферировать, создаваемые яркие и темные полосы на экране - результат, которого нельзя было бы ожидать, если бы свет состоял из классических частиц. Однако всегда обнаруживается, что поглощается изображение в дискретных точках в виде отдельных частиц (а не волн); картина интерференции проявляется в плотности попадания этих частиц на экран. Кроме той версии эксперимента, включающие детекторы на щелях, обнаруживают, что каждый обнаруженный фотон проходит через одну щель (как классическая частица), а не через обе щели (как волна). Однако такие эксперименты демонстрируют, что частицы не образуют интерференционную картину, если определяют, через какую щель они проходят. Эти результаты демонстрируют принцип дуальности волны-частица.
Было обнаружено, что другие объекты атомного масштаба, такие как электроны, демонстрируют такое же поведение при попадании в двойную щель. Кроме того, обнаружение отдельных дискретных ударов по природе является вероятностным, что необъяснимо с использованием классической механики.
Эксперимент может быть проведен с объектами, намного крупнее электронов и фотонов, хотя это становится сложнее с размером размера. Самыми крупными объектами, для которых был проведен эксперимент с двойной щелью, были молекулы, каждая из которых состояла из 810 элементов (общая масса превышала 10000 атомных единиц массы ).
Эксперимент с двумя щелями (и его его вариации) классическим мысленным экспериментом за его ясность в выражении центральных загадок квантовой механики. Так он показал возможности наблюдателя предсказывать экспериментальные результаты, Ричард Фейнман назвал это «явлением, которое невозможно [..] каким-либо классическим способом, и в котором лежит суть квантовой механики. На самом деле, в нем заключена единственная загадка [квантовой механики]. "
Численное моделирование эксперимента с двумя щелями с электронами. Рисунок: эволюция (слева) электронного пучка слева на выходе из щелей () до обнаружения, расположенного в 10 см после прорезей (). Унок в: удары электронов, наблюдаемые на экране - Рисунок: интенси вность электронов в приближении дальнего поля (в центре экрана). Численные данные эксперимента Клауса Йёнссона (1961). Фотоны, атомы и молекулы следуют аналогичной эволюции. 
Тот же узел с двумя щелями (0,7 мм между прорези); на верхнем изображении одна щель закрыта. На изображении с одной щелью формируется дифракционная картина (слабые пятна по обе стороны от основной полосы) из-за ненулевой ширины щели. Эта дифракционная картина также видна на изображении с двумя щелями, но с множеством более мелких интерференционных полос. Эти частицы выстреливали по прямой линии через и возможность ударить по экрану с другой стороны, мы ожидаем увидеть узор, соответствующую размеру и форму щели. Однако, когда выполняется этот «эксперимент с одной щелью», узор на изображении представляет собой дифракционную картину , в которой рассеивается свет. Чем меньше щель, тем больше угол раскрытия. Верхняя часть изображения показывает центральную часть рисунка, образующегося, когда красный лазер освещает щель и, если внимательно присмотреться, две слабые полосы. На более совершенном аппарате можно увидеть больше полос. Дифракция объясняет узор как результат интерференции световых волн из щели.
Моделирование волновой функции частиц: эксперимент с двойной щелью. Белое размытие представляет волну. Чем белее пиксель, тем выше вероятность обнаружения частиц в этом месте при измерении.Если осветить две параллельные щели, свет из двух щелей снова будет мешать. Здесь интерференция представляет собой более выраженную картину с чередующимися светлыми и темными полосами. Ширина полос - это свойство частоты освещающего света. (См. Нижняя фотография справа.) Когда Томас Янг (1773–1829) впервые проявил это явление, это указывало на то, что свет из волнений, поскольку размер яркости может быть объяснено попеременно аддитивным и субтрактивная интерференция волновых фронтов. Эксперимент Юнга, проведенный в начале 1800-х годов, жизненно важная роль в системе волновой теории света, победив корпускулярную теорию света, предложенную Исааком Ньютоном, которая была принятая модель распространения света в 17 - 18 веках. Однако более открытое открытие фотоэлектрического эффекта действует так, как при различных обстоятельствах. Эти, казалось бы, противоречивые открытия заставили выйти за рамки классической физики и принять во внимание квантовую природу света.
Фейнман любил говорить, что вся квантовая механика может быть получена путем тщательного обдумывания этого единственного эксперимента. Он также предположил (в качестве мысленного эксперимента), что если бы детекторы располагались перед каждой щелью, интерференционная картина исчезла бы.
Соотношение двойственности Энглерта-Гринбергера обеспечивает детальное рассмотрение математики двухщелевая интерференция в контексте квантовой механики.
Эксперимент с двойной щелью низкой интенсивности впервые был проведен Г. И. Тейлор в 1909 году, уменьшив уровень падающего света до тех пор, пока события испускания / поглощения фотонов стали в основном не перекрываться. Эксперимент с двойной щелью не проводился ни с чем, кроме света до 1961 года, когда Клаус Йёнссон из Тюбингенского университета провел его с электронными лучами. В 1974 году итальянские физики Пьер Джорджио Мерли, Джан Франко Миссироли и Джулио Поцци повторили эксперимент, используя одиночные электроны и бипризму (вместо щелей), метод, что каждый электрон мешает сам себе, как предсказывает квантовая теория. В 2002 году одноэлектронная версия эксперимента была признана «самым красивым экспериментом» читателями Physics World.
. В 2012 году Стефано Фраббони и его сотрудники в конечном итоге провели эксперимент с двумя электронами и ре щели по оригинальной схеме, предложенной Фейнманом. Они отправляли одиночные электроны на щели, изготовленные из нанотехнологий (шириной около 100 нм), и, собирая прошедшие электроны с помощью одноэлектронного детектора, они могли показать нарастание интерференционной картины с двумя щелями.
В 2019 году, интерференция отдельных частиц была установлена для антивещества Марко Джаммарчи и его коллегами.
Накопление электронов с течением времени Важная версия этого эксперимента включает отдельные частицы (или волны - для единообразия они здесь называются частями). Отправка частиц через устройство с двумя щелями по одной приводит к появлению на экране отдельных частиц, как и ожидалось. Примечательно, однако, картина интерференции возникает, когда эти частицы собираются одна за другой (см. Соседнее изображение). Это демонстрирует дуальность волна-частица, которая гласит, что вся материя проявляет свойства как волны, так и частицы: частица измеряется как одиночный импульс в одном месте, вероятность волны имеющая частицы в определенном месте на экране. Было показано, что это явление происходит с фотонами, атомами и даже некоторыми молекулами, включая бакиболлы. Таким образом, эксперименты с электронами подключаются к мнению о том, что электроны, протоны, нейтроны и даже более крупные сущности, которые обычно называют части, тем не менее имеют свою собственную волновую природу и длину волны (связанные с их даже импульсами).
Способ обнаружения представляет собой квадратные амплитуды волны и может быть рассчитана с использованием классических волн (см. ниже). Частицы не попадают на экран в предсказуемом порядке, поэтому знание того, где все предыдущие частицы появились на экране и в каком, ничего не говорит о том, где будет обнаружена будущая частица. Когда в какой-то момент происходит гашение волн, это не означает, что частица исчезает; он появится где-нибудь еще. С момента квантовой механики некоторые теоретики искали могут включить дополнительные детерминанты или «скрытые переменные », которые, если они известны, могли бы определить каждый отдельный удар с целью.
Более сложные системы, которые включают две или более частицы в суперпозиции, не поддаются приведенному выше объяснению.
Хорошо известный мысленный эксперимент предсказывает, что если детекторы связаны в механизм, через какой проходит фотон, интерференционная картина исчезнет. Этот двусторонний эксперимент показывает принцип дополнительные, согласно которым оба фотоны могут вести себя как частицы, либо как волны, но не наблюдаться как оба одновременно. Несмотря на важность этого мысленного эксперимента в истории квантовой механики (например, см. Обсуждение версии этого эксперимента Эйнштейном ), технически осуществимые реализации этого эксперимента не предлагались до 1970-х годов. (Простые учебные реализации эксперимента gedanken невозможны, поскольку фотоны не могут быть обнаружены без фотона.) В настоящее время было проведено множество экспериментов, демонстрирующих различные аспекты комплементарности.
Эксперимент, проведенный в 1987 году, дал результаты, которые показали, что эта информация могла быть получена относительно того, по какому пути пошла частица, без полного уничтожения интерференции. Это эффект в меньшей степени возмущал частицы при прохождении и тем самым сильным на интерференции только в сопоставимой степени. Другими словами, если кто-то не настаивает на том, чтобы метод, используемый для определения, через щель проходит фотон, был полностью надежным, он все равно может плохую интерференционную картину.
Схема эксперимента Уиллера с отложенным выбором, показывающая принцип определения пути фотона после того, как он проходит через щели Эксперименты Уиллера с отложенным выбором эффект, что извлечение информация о том, "какой путь" после того, как проходит через щели, может задним числом изменить свое предыдущее поведение на прорезях.
Квантовый ластик эксперименты демонстрируют, что волновое поведение можно восстановить, удалив или иным образом сделав навсегда недоступной информацию о, "какой путь".
Простая домашняя иллюстрация феномена квантового ластика была дана в статье в Scientific American. Если установить поляризаторы перед каждой щелью с их осями, ортогональными друг другу, интерференционная картина будет устранена. Поляризаторы можно рассматривать как вводящие информацию о пути для каждого луча. Размещение третьего поляризатора перед детектором с осью 45 ° относительно других поляризаторов «стирает» эту информацию, позволяя вновь появиться интерференционной картине. Это также можно объяснить, рассматривая свет как классические волну, а также используя круговые поляризаторы и одиночные фотоны. Реализации поляризаторов с использованием запутанных пар фотонов не имеют классического объяснения.
В широко разрекламированном эксперименте в 2012 году исследователи заявили, что определили путь каждой частицы получен без каких-либо отрицательных последствий для интерференционной картины, создаваемой частицами. Для этого они использовали такую установку, что частицы пришли на экран не из точечного источника, из источника с двумя максимумами мощности. Комментаторы, такие как Свенссон, отметили, что на самом деле нет противоречия между слабыми измерениями, выполненными в этом варианте эксперимента с двумя щелями, и принципом неопределенности Гейзенберга. Слабое измерение с последующим отбором не позволяет одновременно измерять положение и импульс для отдельных частиц, что позволяет измерять среднюю траекторию частиц, которые в разных положениях. Другими словами, экспериментаторы создавали статистическую карту ландшафта полной траектории.
Лабораторная сборка с двумя щелями; расстояние между верхними стойками примерно 2,5 см (один дюйм). 
Модели распределения ближнего поля для плазмонных щелей с одинаковой шириной (A) и неравной шириной (B). В 1967 году Пфлегор и Мандельали использовали две -источник интерференции с использованием двух лазеров в качестве источников света.
Экспериментально в 1972 году было показано, что в системе с двумя щелями, где в любой момент времени была открыта только одна щель, интерференция, тем не менее, наблюдалась при условии, что разность хода была такая что зарегистрированный фотон мог исходить из любого щели. Условия эксперимента были таковы, что плотность фотонов в системе была намного меньше единицы.
В 1999 году эксперимент с двойной щелью был успешно проведен с молекулами бакибола (каждая из которых содержит 60 ядер углерода). Бакиболл достаточно велик (диаметр около 0,7 нм, что почти в полмиллиона больше, чем протон), чтобы его можно было увидеть под электронным микроскопом.
. В 2005 году Э. Р. Элиэль представил экспериментальный и теоретическое исследование оптического пропускания тонкого металлического экрана, перфорированного двумя субволновыми щелями, различными длинами оптических волн. Показано, что общая интенсивность диаграммы направленности с двумя щелями в длине волны увеличивается в длине волны падающего луча.
В 2012 году исследователи из Университета Небраски– Линкольн выполнил эксперимент с двумя щелями с электронами, как описано Ричардом Фейнманом, используя новые инструменты, которые позволяют контролировать двух щелей и контролировать события одноэлектронных сигналов. Электроны стреляли из электронной пушки и проходили через одну или две щели шириной 62 нм и высотой 4 мкм.
В 2013 году эксперимент с двумя щелями был успешно проведен с молекулами, каждое из которых состояла из 810 атомов (общее количество массы было более 10000 атомных единиц массы ). Рекорд был поднят до 2000 атомов (25000 а.е.м.) в 2019 году.
Были разработаны гидродинамические аналоги, которые могут воссоздавать различные аспекты квантово-механических систем, включая одночастичную интерференцию. через двойную щель. Капля силиконового масла, отскакивая от поверхности жидкости, самодвижется за счет резонансного режима с собственным полем. Капля мягко разбрызгивает жидкость при каждом отскоке. В то же время рябь от прошлых отскоков влияет на его курс. Взаимодействие капли с ее собственными волнами, которые вызывают так называемую пилотную волну., без какого-либо конкретного местоположения, пока они не будут измерены.
Поведение, имитируемое с помощью гидродинамической системы пилотных волн, включает квантовую дифракцию отдельных частиц, туннелирование, квантованные орбиты, расщепление орбитальных уровней, спин и мультимодальную статистику. Также можно вывести отношения неопределенности и принципы исключения. Доступны видеоролики, иллюстрирующие различные функции этой системы. (См. Внешние ссылки.)
Однако более сложные системы, которые включают две или более частицы в суперпозиции, не поддаются такому простому, классически интуитивному объяснению. Соответственно, гидродинамический аналог запутывания не разработан. Тем не менее, оптические аналоги возможны.
Двухщелевая дифракционная картина на плоской волне 
Фотография двухщелевой интерференции солнечного света. 
Две щели освещены плоской волной. Большая часть поведения света может быть смоделирована с помощью классической теории теории теории. Принцип Гюйгенса - Френеля - одна из таких моделей; в нем говорится, что каждая точка на волновом фронте генерирует вторичный вейвлет, и что возмущение в любой точке можно найти, суммируя вклады отдельных вейвлетов в этой точке. Это суммирование должно быть фазу , а также амплитуды отдельных вейвлетов. Можно измерить только светового поля - она пропорциональна квадрату амплитуды.
В эксперименте с двойной щелью две щели освещаются одним лазерным лучом. Если прорезей достаточно мала (длина волны лазерного света), прорези рассеивают свет на цилиндрические волны. Эти два цилиндрических волновых фронта накладываются друг на друга, и, следовательно, интенсивность в любой точке волновых фронтов зависит от величины, так и от фазы двух волновых фронтов. Разница в фазе между двумя волнами определяется разницей на расстоянии, пройденном двумя волнами.
Если расстояние просмотра велико по сравнению с разделением щелей (дальнее поле ), раз фазность можно найти, используя геометрию, показанную на рисунке внизу справа. Разница в пути между двумя волнами, распространяющаяся под углом θ, определяется как:
где d - расстояние между двумя прорези. Когда две волны находятся в фазе, то есть разность хода равна целому волну, суммарная амплитуда волны и, следовательно, суммарная интенсивность максимальны, когда они находятся в противофазе, то есть разность хода равной длины волны, полторы длины и волны т. д., тогда две волны компенсируются и суммарная интенсивность равна нулю. Этот эффект известен как интерференция. Максимумы интерференционных полос образуют под углами
где λ - длина волны света. Угловой интервал полос, θ f, определяется как
Расстояние между полосами на расстоянии z от щелей задаются формулой
Например, если две щели разделены на 0,5 мм (d) расстояние и лазером с длиной 0,6 мкм (λ), то на расстоянии 1 м (z) между полосами будет 1,2 мм.
Если ширина щелей b больше, чем длина волны, уравнение дифракции Фраунгофера дает интенсивность дифрагированного света как:
![{\ begin {align} I (\ theta) \ propto \ cos ^ {2} \ left [ {\ frac {\ pi d \ sin \ theta} {\ lambda}} \ right] ~ \ mathrm {sinc} ^ {2} \ left [{\ frac {\ pi b \ sin \ theta} {\ lambda}} \ right] \ end {align}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5fb832693cac4bc3093639a4c6ccf7916e76a06a)
Где функция sinc определяется как sinc (x) = sin (x) / x для x ≠ 0, а sinc (0) = 1.
Это проиллюстрирован на рисунке выше, где первый рисунок представляет собой дифракционную картину одной щели, заданную функцию sinc в этом уравнении, второй рисунок показывает объединенную интенсивность света, дифрагированного от двух щелей, где функция отличается тонкую, а более грубая структура представляет собой дифракцию на отдельных прорезях, как описанную функцию sinc.
Аналогичные вычисления для ближнего поля могут быть выполнены с использованием уравнения дифракции Френеля. По мере, как плоскость наблюдения приближается к плоскости, которая установлена щели, дифракционные картины, связанные с каждой плоскостью, уменьшаются в размере, так что область, в которой возникает интерференция, уменьшается, и может полностью исчезнуть, когда нет перекрытия в две дифрагированные области картины картины.
Как и мысленный эксперимент с котом Шредингера , эксперимент с двойной щелью часто используется для выделения различий и сходства между различными интерпретми квантовой механики.
Копенгагенская интерпретация, выдвинутая некоторыми пионерами в области квантовой механики, утверждает, что Нежел постулировать что-либо, выходящее за рамки математических формул и видов физических устройств и устройств которые позволяют нам получить некоторые знания о том, что происходит в атомном масштабе. Одна из математических конструкций, которая позволяет экспериментаторам очень точно предсказать экспериментальные результаты, иногда называется волной вероятности. По своей математической форме это аналогично описанию физических волн, но ее «гребни» и «впадины» указывают уровни вероятности возникновения определенных явлений (например, искры света в точке на экране детектора), что можно наблюдать в макромире обычного человеческого опыта.
О вероятности «волны» можно сказать, что она «проходит через пространство», потому что значения вероятности, которые можно вычислить из ее математического представления, зависит от времени. «Нельзя говорить о местонахождении какого-либо частицы, как фотон, его обнаружение просто потому, что для того, чтобы сказать, что что-то находится где-то в определенном времени. Требование для возможного появления интерференционной картины в том, чтобы частицы испускались и имелися экран по крайней мере двумя путями, по которым частица должны были пройти от датчика к экрану обнаружения. Эксперименты ничего не наблюдают между моментом испускания частиц и ее прибытием на экран обнаружения. Когда эта трассировка лучей будет точно предсказывать максимум и минимумов на экране детектора, когда эта трассировка лучей будет точно предсказывать максимум и минимум на экране детектора. и постепенно «раскрашиваем» ожидаемую интерференционную картину.
Один из бесконечного числа равновероятных путей, используемый в интеграле по путям Фейнмана (см. Также: винеровский процесс )Копенгагенская интерпретацияна Формулировка интеграла по путям <Формулировка интеграла по путям заменяет классическое понятие единой уникальной траектории для системы суммой по всем траектории. Траектории складываются вместе с помощью функций интегрированное.
Каждый считается равновероятным и, следовательно, вносит одинаковый вклад. Однако фаза этого вклада в любой заданной точке на пути определяется <выполнить13>вдоль пути:
Затем все эти вклады складываются вместе, и величина окончательного результат составляет в квадрате, чтобы получить распределение вероятностей ля положения частиц:
Как всегда бывает при вычислении вероятности, результаты затем должны быть нормализованы путем наложения:
Подводя итог, вероятность Распределение результата представляет собой нормализованный квадрат нормы суперпозиции по всем путям от исходной точки до конечной точки волн распространяющихся пропорционально действию на каждом пути. Различия в кумулятивном воздействии на разные путях (и, следовательно, в относительных фазах вкладов) интерференционную картину, наблюдаемую в эксперименте с двумя щелями. Фейнман, оцените его формулировка - это просто математическое описание, а не попытка измерить реальный процесс, который мы можем описать.
Пример принципа неопределенности, относящийся к реляционной интерпретации. Чем больше известно положение частиц, тем меньше известно о скорости и наоборот Согласно реляционной интерпретации квантовой механики, впервые предложенной Карло Ровелли, наблюдения, такие как в эксперименте с двойной щелью, результатом взаимодействия между наблюдателем является наблюдаемым объектом (с которым происходит физическое взаимодействие), каким-либо абсолютным свойством, которым обладает объект.. В случае электрона, если он изначально «присутствует» на некотором расстоянии, то взаимодействие наблюдателя с частицей (фотон-электрон) включает информацию положения электрона. Это частично ограничивает возможные варианты частиц на сайте. Если он «наблюдается» (измеряется с помощью фотона) не в конкретном щели, а, скорее, отсутствует экран, то в процессе взаимодействия информация о «каком пути», поэтому определяется «наблюдаемое» положение электрона на экране. строго по функции вероятности. Это делает результирующий на таком же, как если бы каждый отдельный электрон прошел через обе щели. Также предположение, что электрон может казаться «одновременно в двух местах» - например, в обоих отношениях. местоположения щелей.
Физик Дэвид Дойч в своей книге Ткань реальности утверждает, что эксперимент с двойной щелью является доказательством для многомировой интерпретации. Однако, поскольку каждая интерпретация квантовой механики эмпирически неразличима, некоторые ученые скептически к этому утверждению.
Альтернатива стандартному пониманию квантовой механики, теория Де Бройля-Бома утверждает, что частицы всегда имеют точное местоположение и что на их скорость влияет волновая функция. Таким образом, хотя отдельная часть будет проходить через одну "пилотную волну", которая влияет на нее, будет проходить через обе. Две щелевые траектории де Бройля-Бома были впервые рассчитаны Крисом Дьюдни во время работы с Крисом Филиппидисом и Бэзилом Хили в Биркбек-колледже (Лондон). Теория де Бройля-Бома дает те же статистические результаты, что и стандартная квантовая механика, но устраняет многие из ее концептуальных трудностей.
Физический портал 
Научный портал  | Викискладе есть медиафайлы, связанные с экспериментами с двумя щелями. |
