Эксперимент юнга с двумя щелями: Двухщелевой опыт Юнга — все самое интересное на ПостНауке

Как опыт Юнга помогает понять реальность?

Традиционный эксперимент в области физики может скрывать в себе знания о природе реальности, о которых мы и не догадывались. Классический опыт Юнга, известный так же как «эксперимент на двух щелях», в свое время стал доказательством волновой теории света. Но на самом деле он бросает вызов одному из самых известных и изученных предположений квантовой механики.

Василий Макаров

Теги:

Открытия

Рассмотрим опыт подробнее.

Содержание статьи

Он додумался первым

Суть эксперимента заключается в том, что на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого установлен другой, проекционный экран, направляют пучок света. Особенность прорезей заключается в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. Логично было бы предположить, что фотоны должны проходить сквозь щели, создавая две параллельные полосы света на заднем экране. Но вместо этого свет распространяется в виде полос, в которых чередуются участки света и темноты, то есть свет ведет себя как волна. Это явление называется «интерференция», и именно его демонстрация Томасом Юнгом стала доказательством справедливости волновой теории. Переосмысление этого эксперимента могло бы объединить квантовую механику с другой опорой теоретической физики, общей теорией относительности Эйнштейна, — вызов, который до сих пор остается неразрешимым на практике.

Для того чтобы вычислить вероятность появления фотона в том или ином месте на экране, физики используют принцип под названием «правило Борна». Тем не менее, для этого нет никаких причин — эксперимент всегда проходит одинаково, но никто не знает почему. Некоторые энтузиасты пытались объяснить этот феномен из интерпретации квантовомеханической теории о «множественных мирах», в которой предполагается, что все возможные состояния квантовой системы могут существовать в параллельных вселенных, но эти попытки ни к чему не привели.

youtube

Нажми и смотри

Физика на квантовом уровне

Это обстоятельство позволяет использовать правило Борна как доказательство наличия в квантовой теории нестыковок. Для того чтобы объединить квантовую механику, которая оперирует Вселенной в узких временных масштабах, и общую теорию относительности, которая работает с огромными промежутками времени, одна из теорий должна уступить дорогу. Если же правило Борна неверно, то это будет первый шаг к изучению квантовой гравитации. «Если правило Борна будет нарушено, то будет нарушена и фундаментальная аксиома квантовой механики, и мы узнаем, где следует искать ответ на теории о квантовой гравитации», говорит Джеймс Куотч из Института науки и техники в Испании.

Куотч предложил новый способ проверить правило Борна. Он исходил из идеи физика Фейнмана: для того, чтобы вычислить вероятность возникновения частицы в той или иной точке экрана, вы должны учитывать все возможные пути, по которым это может произойти, даже если они кажутся смешными. «Учитывается даже та вероятность, что частица долетит до Луны и вернется», говорит Куотч. Практически ни один из путей не повлияет на окончательное местоположение фотона, но некоторые, весьма необычные, могут в конечном итоге изменить его координаты. К примеру предположим, что у нас есть три пути, благодаря которым частица может пролететь сквозь экран, вместо двух очевидных (т.е. вместо той или иной щели). Правило Борна в этом случае позволяет рассматривать помехи, которые могут возникнуть между двумя очевидными вариантами, но не между всеми тремя.

Джеймс показал, что, если учитывать все возможные отклонения, то итоговая вероятность того, что фотон угодит в точку Х, будет отличаться от результата, который предполагает правило Борна. Он предложил использовать в качестве третьего пути блуждающий зигзаг: так, частица проходит сначала сквозь левое отверстие, затем сквозь правое, и лишь затем направляется к экрану. Если третий путь препятствует первым двум — изменится и результат вычислений. Работа Куотча вызвала большой интерес, и Анинда Синха в Индийском институте науки в Бангалоре — член команды, которая впервые предложила использовать для опровержения правила Борна извилистые, «нетрадиционные» пути, — с ней полностью согласен. Однако ученый указывает и на то, что существует слишком много неучтенных вероятностей, чтобы сейчас можно было говорить о чистоте эксперимента. Как бы то ни было, результаты этой работы откроют человечеству дверь в область более глубокого понимания реальности.

Еще по теме:

Как устроена квантовая навигация: спутники будут не нужны

Квантовая механика отрицает саму себя: как так получилось?

В России разработан новый метод для исследования физических свойств твердых тел на основе классической схемы Томаса Юнга

Ученые исследовали неупругое рентгеновское рассеяние, основанное на классическом эксперименте с двумя щелями, чтобы по-новому взглянуть на физические свойства твердых тел. Результаты опубликованы в журнале Science Advances. Работа российской группы поддержана грантом Российского научного фонда. Исследовательская группа во главе с физиками из Кельнского университета представила новый способ исследования электронной структуры твердых тел с помощью резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей, который представляет собой воспроизведение знаменитого опыта Томаса Юнга по интерференции света на двух щелях. Эксперимент проводился в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле.

Схема эксперимента Юнга / Johannes Kalliauer/Wikimedia Commons/Indicator.Ru

Воспользуйтесь нашими услугами

Эксперимент по рассеянию света на двух щелях можно считать одним из наиболее значимых событий в физике XIX века. Более 200 лет назад Юнг изучил, каким образом свет проникает через экран, имеющий две небольших прорези. Оказалось, что позади экрана формируются не две полосы (которые можно было бы ожидать, если бы свет представлял собой только лишь поток частиц), а целый набор чередующихся полос, называемый интерференционной картиной. Это противоречит законам классической физики, но легко объясняется в рамках квантовой теории, в которой свет рассматривается не только как поток частиц — фотонов, но и как волна (корпускулярно-волновой дуализм). Уже в XX веке ученые обнаружили, что не только свет, но и электроны, рассеянные на двойной щели, демонстрируют интерференционную картину.

Исследователи из Кёльнского университета совместно с коллегами из Италии, Франции, Швеции и России изучали физические свойства одного из оксидов иридия с помощью резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей. В кристаллической структуре данного вещества имеются изолированные пары ионов иридия (так называемые димеры). Кристалл подвергался высокоэнергетическому рентгеновскому облучению. В данном опыте параллельно идущие друг другу рентгеновские лучи с заранее выбранной длиной волны рассеивались димерами иридия, которые играли роль щелей в классическом эксперименте Юнга.

«Интерференционная картина многое говорит нам о рассеивающем объекте — димере иридия, — говорит профессор Маркус Грюнингер, который возглавляет исследовательскую группу Кельнского университета.  — В отличие от классического эксперимента с двумя щелями, неупруго рассеянные рентгеновские фотоны дают нам возможность получить информацию о возбужденных состояниях димера, в частности, об их симметрии, а также о динамических свойствах твердого тела».

Эксперименты на основе резонансного неупругого рентгеновского рассеяния требуют чрезвычайно яркого источника рентгеновского излучения, которое может быть получено с помощью синхротрона. Чтобы специально возбуждать только атомы иридия, ученым пришлось выделять очень малую часть часть излучения, создаваемого синхротроном, а рассеянные фотоны отбирались еще более строго в соответствии с их энергией и направлением, в котором они рассеиваются. В итоге в настоящее время осуществить такой эксперимент с требуемой точностью на основе резонансного неупругого рентгеновского рассеяния возможно лишь на двух синхротронах в мире, включая Европейский центр синхротронного излучения в Гренобле, где команда исследователей и провела свой эксперимент.

«Данный эксперимент очень интересен тем, что с его помощью в ряде случаев можно одновременно получать информацию как о кристаллической структуре рассматриваемого вещества (скажем, расстояние между атомами иридия), так и, например, о том, какие орбитали занимают электроны или на какие уровни они могут быть возбуждены, — говорит завлабораторией Уральского федерального университета профессор Сергей Стрельцов, участвовавший в теоретическом описании опыта.  — Таким образом, метод неупругого рентгеновского рассеяния может сочетать достоинства рентгеновской спектроскопии, позволяющей извлекать из эксперимента детальную информацию об электронной структуре вещества (т.е. энергетических уровнях, которые занимают электроны), с теми данными, которые, как правило, получаются с помощью нейтронной (или рентгеновской) дифракции».

В эксперименте с двойной щелью видно, что вещество и энергия способны вести себя как волны или частицы. В 1628 году Кристиан Гюйгенгс доказал, что свет выступает волной. Но некоторые люди не соглашались, особенно Исаак Ньютон. Он полагал, что для объяснения потребуются цветные интерференционные и дифракционные эффекты. До 1801 года никто не верил, что свет – волна, пока не появился Томас Юнг со своим экспериментом с двойной щелью – опыт Юнга. Он сделал две близко поставленных вертикальных щели (примерное расстояние между щелями в опыте Юнга можно увидеть на нижней схеме) и пустил сквозь них свет, наблюдая за созданным на стене узором.

Свет проходит сквозь две вертикальных щели и дифрагируется в виде двух вертикальных линий, расположенных горизонтально. Если бы не дифракция и интерференция, то свет просто создал две линии

Двойственность волновых частичек

Из-за волновых характеристик свет проходит сквозь щели и сталкивается, формируя светлые и темные регионы на стене. Он рассеивается и поглощается стеной, приобретая черты частиц.

Эксперимент Юнга

Почему опыт Юнга с двумя щелями всех убедил? Гюйгенс оказался изначально прав, но ему не удавалось показать на практике свои выводы. Свет обладает относительно короткими длинами волн, поэтому для демонстрации обязан контактировать с чем-то небольшим.

В примере используется два когерентных световых источника с одной монохроматической длиной волны (в единой фазе). То есть, два источника будут создавать конструктивные или деструктивные помехи.

Конструктивные и деструктивные помехи

Конструктивные помехи появляются, если волны мешают по гребням, но совпадают в фазе. Это будет усиливать результирующую волну. Деструктивные мешают друг другу полностью и не совпадают, что отменяет волну.

Две щели формируют два когерентных волновых источника, мешающих друг другу. (а) – Свет рассеивается от каждой щели, из-за их узости. Волны перекрываются и мешают конструктивно (яркие линии) и деструктивно (темные участки). (b) – Узор двойной щели для водных волн практически совпадает со световыми. Наибольшая активность заметна на участках с деструктивными помехами. (с) – При попадании света на экран, мы сталкиваемся с подобным шаблоном

Созданный узор не будет случайным. Каждая щель расположена на определенной дистанции. Все волны начинаются с одной фазы, но дистанция от точки на стене к щели создает тип помехи.

Источники: http://www.nanonewsnet.ru/, https://v-kosmose.com/

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Двойные щели с одиночными атомами — Physics World

Взято из номера Physics World за февраль 2020 года. Члены Института физики могут ознакомиться с полным выпуском через приложение Physics World .

Эксперимент Томаса Янга с двумя щелями известен демонстрацией принципа интерференции. Эндрю Мюррей объясняет, почему теперь можно провести эквивалентный эксперимент с использованием лазеров, возбуждающих отдельные атомы рубидия

За последние 20 лет я поговорил с более чем 400 школьниками, которые хотят изучать физику здесь, в Манчестерском университете. Одна тема, которая регулярно поднимается на собеседованиях, — это эксперименты Янга с двумя щелями, которые явно интересуют моих будущих студентов. Но когда я спрашиваю их, в чем суть этих экспериментов, мне неизменно отвечают, что они используют электроны для демонстрации корпускулярно-волнового дуализма — одного из краеугольных камней квантовой физики. Это любопытно, потому что Томас Юнг проводил свои эксперименты в 1804 году — задолго до того, как мы узнали что-либо об электронах или субатомном мире.

Первоначальные эксперименты Янга с двумя щелями фактически были первыми, кто продемонстрировал явление интерференции. Когда он посветил через две узкие щели и наблюдал узор, созданный на отдаленном экране, Юнг не нашел двух ярких областей, соответствующих щелям, а вместо этого увидел яркую и темную полосы. Он объяснил это неожиданное наблюдение тем, что предположил, что свет — это волна, в противоположность идее Ньютона о том, что свет состоит из частиц. Эти эксперименты и их последующее объяснение завершились классическими законами излучения, заключенными в знаменитых уравнениях Джеймса Клерка Максвелла.

От двойных щелей Юнга к корпускулярно-волновому дуализму

Пионер волн: Томас Янг. (Courtesy: Sheila Terry/Science Photo Library)

Замечательный успех волновой теории света, вдохновленный первыми экспериментами Томаса Янга с двумя щелями в 1804 году, был омрачен двумя более поздними наблюдениями, которые не соответствовали теории. Одним из них было измерение плотности излучения, испускаемого черным телом, которое нельзя было объяснить с помощью общепринятых законов излучения, сформулированных лордом Рэлеем и Джеймсом Джинсом, — так называемая «ультрафиолетовая катастрофа». Эта проблема привела Макса Планка в 1900 разработать альтернативную теорию, которая предполагала, что излучатели абсолютно черного тела имеют дискретную (квантованную) энергию, на основании чего он успешно предсказал экспериментальные данные.

Второй проблемой был фотоэлектрический эффект — свет может выбивать электроны из материала, но только если его частота выше определенной. Расширяя идеи Планка, Альберт Эйнштейн смог объяснить это явление, предсказав, что излучение квантуется. Это понимание также позволило ему предсказать, что интенсивность света зависит от скорости, с которой обнаруживаются эти частицы с фиксированной энергией (позже названные фотонами). Волновая теория, напротив, утверждала, что интенсивность должна быть пропорциональна квадрату амплитуды волны. Дальнейшая работа Эрнеста Резерфорда и Нильса Бора в Манчестере привела к развитию «старой» квантовой теории, которая объясняла структуру атомов и то, почему их спектры дискретны.

Несколько лет спустя Луи де Бройль предположил, что если свет можно рассматривать как обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами, то, возможно, материя также имеет двойственную природу. Вскоре последовали подтверждающие это экспериментальные доказательства, на основе которых Эрвин Шредингер, Вернер Гейзенберг и Поль Дирак разработали современную форму квантовой механики, которой мы пользуемся сегодня. Только в 1960-х годах стала ясной связь между двухщелевым экспериментом Юнга и корпускулярно-волновым дуализмом, когда он впервые был проведен с электронным пучком.

Связь между экспериментами Юнга и корпускулярно-волновым дуализмом стала очевидной только в прошлом веке, когда были твердо установлены основы квантовой механики (см. вставку выше). История началась в 1961 году — более чем через 130 лет после смерти Янга — когда Клаус Йонссон из Тюбингенского университета в Германии выточил набор щелей шириной 300 нм в меди, а затем облучил их пучком электронов с энергией 40 кэВ из электронного микроскопа ( Z. für Physik 161 454). Полученные изображения показали интерференционную картину, точно такую ​​же, какую Юнг впервые увидел со светом 160 лет назад. Этот первый двухщелевой эксперимент с электронами показал, что электронный пучок ведет себя как волна. Но поскольку Йонссон не мог создать или измерить отдельные электроны, он не смог доказать, что каждый электрон сам по себе имеет волнообразный характер.

В 1965 году Ричард Фейнман затем прочитал ставшую теперь известной серию лекций в Калифорнийском технологическом институте, в которых он обсуждал, как одиночные электроны, запускаемые в двойную щель, в принципе создают интерференционную картину, тем самым демонстрируя двойную волну. корпускулярная природа материи. Фейнман не думал, что его мысленные эксперименты когда-либо будут возможны, но в течение следующих нескольких десятилетий достижения в производственных технологиях постепенно приближали эту перспективу. В конце концов, в середине 2000-х годов Стефано Фраббони и его коллеги в Италии продемонстрировали интерференцию электронов, проходящих через щели шириной всего 83 нм (2007 г., утра. Дж. Физ. 75 1053 и 2008 Прил. физ. лат. 93 073108).

Используя электронный микроскоп, работающий на 200 кэВ, Фраббони и его команда смогли снизить ток пучка до таких низких уровней, что они могли предсказать с очень высокой вероятностью, что между источником и детектором в любой заданный момент времени находится не более одного электрона. время. Но поскольку у их детектора были различные ограничения, они не могли напрямую измерять интерференцию от одиночных электронов. Лишь в 2013 году были наконец проведены первые эксперименты, убедительно продемонстрировавшие двухщелевую интерференцию с использованием одиночных электронов (рис. 1).

1 Двухщелевой эксперимент Юнга с одиночными электронами

Если вы запускаете отдельные частицы, такие как фотоны или электроны, через две щели, обозначенные цифрами 1 и 2, волновые функции ϕ ₁ и ϕ ₂ вдоль каждого пути описывают вероятность того, что они пройдут через щели, при этом общая волновая функция на детекторе равна ϕ _det = ϕ ₁ + ϕ ₂ . Тогда вероятность обнаружения частицы равна ϕ _det ² = ϕ ₁ ² + ϕ ₂ ² + 2|ϕ ₁ ||ϕ ₂ | cos Δξ, где |ϕ ₁ | и |ϕ ₂ | – амплитуды волн, Δξ – разность их фаз на детекторе. Результатом является серия ярких и темных полос в зависимости от того, находятся ли два фронта волны в фазе (cos Δξ = 1) или в противофазе (cos Δξ = –1), что означает высокую или низкую вероятность обнаружения частицы. Но если закрыть, скажем, щель 2, то ϕ ₂ = 0, и вы видите распределение частиц исключительно из-за щели 1 (ϕ _det ² = ϕ ₁ ² ). Если вы закроете щель 1, то ϕ ₁ = 0 и распределение определяется как (ϕ _det ² = ϕ ₂ ² ). Вы можете вычислить интерференционный член, измерив сигналы от обеих щелей по отдельности, а затем измерив выход с обеими открытыми щелями.

Работая в Университете Небраски-Линкольн в США, Роджер Бах и его коллеги использовали щели шириной 62 нм, через которые они выпускали электроны с энергией пучка всего 0,6 кэВ. Эта гораздо более низкая энергия, которая увеличила длину волны де Бройля электронов по сравнению с предыдущими экспериментами, не только привела к более широкому разделению интерференционной картины, но также позволила им использовать детектор с канальной пластиной, который мог считать отдельные электроны. Эксперимент также позволил команде Баха физически перемещать маску по щелям, чтобы каждая из них могла быть закрыта по отдельности или обе могли быть открыты.

В этих экспериментах группа Баха уменьшила интенсивность падающего луча так, чтобы каждую секунду регистрировался только один электрон, тем самым гарантируя (с вероятностью более 99,9999 %), что только один электрон находится между источником и детектором в любой момент времени. время. Эксперимент длился непрерывно в течение двух часов, и первоначально казалось, что отдельные электроны прибывают в случайные точки на экране. Но по мере того, как регистрировалось все больше и больше электронов, постепенно возникала интерференционная картина со светлыми и темными областями (2013 New J. Phys. 15 033018).

Поскольку каждый электрон обнаруживался до испускания следующего, очевидно, что он не мог повлиять на будущие электроны, которые затем проходили через щели. Как изящно заявил Фейнман, поэтому мы должны признать, что каждый электрон (да и вся материя) имеет как волнообразную природу (для создания интерференционной картины), так и должен рассматриваться как отдельная частица (поскольку именно это было обнаружено ). Следовательно, именно этот эксперимент с двумя щелями, а не эксперимент Юнга 1804 года, будущие студенты в Манчестере должны цитировать, когда будут говорить о корпускулярно-волновом дуализме.

Новые эксперименты с одним атомом

Теперь, если вы думаете, что это все, на что способен эксперимент Юнга с двумя щелями, вы ошибаетесь. Недавно наша исследовательская группа в Манчестере нашла совершенно новый способ проведения эксперимента. Это открытие стало результатом наших исследований «формы», которую принимают атомы, когда мы возбуждаем их лазерным светом, а затем запускаем в них электроны. Электроны получают энергию, когда атомы теряют возбуждение, и мы ловим эти рассеянные электроны под разными углами.

Мы многое знали об этом «сверхупругом» процессе столкновения — фактически, мы изучали его годами. Но когда мы использовали синий свет 420,30 нм для возбуждения определенного состояния атомов рубидия, известного как состояние 6P, нас ждал сюрприз (2019 Phys. Rev. Lett. 122 053204). На этот раз мы не смогли найти ни одного электрона из процесса сверхупругого столкновения. Так почему же, мы задавались вопросом, не было сигнала?

Оказалось, что в ходе эксперимента из лазерного луча производилось много фотоэлектронов (мы могли видеть их даже при выключенном падающем электронном луче), но все они имели низкие энергии. На самом деле эти фотоэлектроны появились с четырьмя различными энергиями в таких больших количествах, что заглушили ожидаемый нами сверхэластичный сигнал. Фотоэлектроны пришли не только из состояния 6P, но и из более низких состояний, в которые атомы могли вернуться, включая электроны с энергией 0,36 эВ, выбитые из состояния 5P (рис. 2-9).0003 и ).

Но какое отношение это имеет к эксперименту с двумя щелями? Вот тут-то и пришла наша новая идея. Мы поняли, что если направить на атомы второй, инфракрасный лазерный луч с длиной волны 780,24 нм, этот свет может не только возбудить атом до состояния 5P, но и ионизировать его. 6P, производя фотоэлектроны с энергией 0,36 эВ. Это точно такая же энергия, как фотоэлектроны, возникающие при ионизации атомов рубидия синим светом в состоянии 5P.

Другими словами, есть два возможных пути, которые производят фотоэлектроны с этой энергией (рис. 2 b ). Лазерные лучи эффективно «направляют» процесс фотоионизации, поэтому он проходит либо через состояние 5P с волновой функцией Ψ ₁ (эквивалентно щели 1 в обычном двухщелевом эксперименте Юнга), либо через состояние 6P с волновой функцией Ψ ₂ (соответствует щели 2) или одновременно через оба состояния. Вместо измерения интенсивности фотонов или электронов на экране мы вместо этого подсчитываем количество фотоэлектронов под разными углами θ относительно поляризации лазерных лучей — так называемое дифференциальное сечение DCS(θ).

2 Двойные щели Юнга с одним атомом

(a) Наша новая версия эксперимента Юнга с двумя щелями не включает запуск частиц через щели, но использует лазеры для возбуждения атомов рубидия различными способами. Сияющий синий лазерный свет с длиной волны 420,30 нм возбуждает атом из состояния 5S в состояние 6P (переход указан толстой синей стрелкой). Затем состояние 6P переходит в два других состояния (4D и 6S), которые, в свою очередь, возвращаются в четвертое состояние (5P) — релаксации, показанные пунктирными стрелками. Дополнительные синие фотоны (также с длиной волны 420,30 нм) могут затем ионизировать эти состояния, высвобождая фотоэлектроны с четырьмя различными энергиями (обозначены узкими синими стрелками), в том числе с энергией 0,36 эВ. Используя второй инфракрасный лазер с длиной волны 780,24 нм, мы можем либо возбудить атом рубидия до состояния 5P, либо произвести фотоэлектрон из состояния 6P (красные стрелки), также при 0,36 эВ. (b) Если мы настроим наш детектор на измерение только электронов с энергией 0,36 эВ, они придут двумя возможными путями — либо через состояние 6P, ионизированное инфракрасным лазером, либо через состояние 5P, ионизированное синим лазером. Два пути можно включить или выключить, точно так же, как мы можем открывать или закрывать щели в обычном эксперименте с двумя щелями.

Немного отрегулировав частоту того или иного лазера, мы можем включать или выключать пути, точно так же, как мы можем физически открывать или закрывать щели в обычном эксперименте Юнга с двумя щелями. Расстроив синий лазер, вы возбуждаете только состояние 5P, которое закрывает путь 2 и дает выход фотоэлектронов DCS ₁ (θ) ∝ Ψ ₁ ² , где θ — угол рассеяния. Расстроив инфракрасный лазер, вы возбуждаете только состояние 6P, закрывая путь 1 и давая DCS 9.0051 2 (θ) ∝ Ψ ₂ ² . Когда оба лазера находятся в резонансе, возбуждаются оба состояния, и мы должны сложить волновые функции, чтобы получить DCS ₁₊₂ (θ) ∝ (Ψ ₁ + Ψ ₂ ) ² .

Так же, как и в экспериментах Юнга, мы получаем интерференционную картину. Интерференционный член DCS _interf (θ) фактически пропорционален 2|Ψ ₁ ||Ψ ₂ | cos Δχ, где |Ψ ₁ | и |Ψ ₂ | — амплитуды вдоль каждого пути, Δχ — относительный фазовый сдвиг между волнами на детекторе. Мы можем определить DCS _interf (θ), выполнив три набора измерений: один с обоими лазерами в резонансе, дающий DCS ₁₊₂ (θ), другой с синим лазером вне резонанса, дающим DCS ₁ (θ), и третий с инфракрасным лазером вне резонанса, производящим DCS ₂ (θ).

Теория против эксперимента

Одной из практических задач наших новых экспериментов с двумя щелями было найти способ обнаружения фотоэлектронов с энергией всего 0,36 эВ, что в 600 000 раз меньше, чем использовалось в более ранних исследованиях с помощью электронного микроскопа. Мы решили эту проблему, тщательно исключив в эксперименте магнитные и электрические поля, которые в противном случае влияли бы на электроны, появляющиеся из атомов, и создав детекторы, которые могли бы выбирать и подсчитывать отдельные электроны при этой энергии.

Так что же показали наши эксперименты?

3 От идеи к эксперименту

В нашем эквиваленте двухщелевого эксперимента Юнга мы используем пучок атомов рубидия, испускаемый из печи внутри вакуумной камеры. Затем мы стреляем синим и инфракрасным лазерами по рубидию, направляя лучи вертикально в камеру и вращая их поляризацию на 360°, чтобы определить количество фотоэлектронов под разными углами. На этом графике показано измеренное «дифференциальное сечение», DCS _interf (θ) и «относительный фазовый сдвиг» Δχ = χ ₁ (θ) – χ ₂ (θ) между двумя возможными путями ионизации, которые приводят к фотоэлектронам с энергией 0,36 эВ. Если бы между путями не возникало интерференции, DCS _interf (θ) был бы равен нулю, и Δχ также было бы равно 0. Тот факт, что значения явно не равны 0 и согласуются с теоретическими расчетами, показывает, что фотоэлектроны имеют обе волновые подобные и корпускулярные свойства, тем самым подтверждая корпускулярно-волновой дуализм.

Если бы не было интерференции между двумя путями ионизации — как и следовало ожидать из классической интерпретации процесса ионизации — тогда и интерференционный член, и относительный фазовый сдвиг должны быть равны нулю при всех углах. Но значения не были нулевыми (рис. 3). Член интерференции, например, варьировался от -0,14 до -0,56, доказывая, что существует значительная интерференция между двумя путями. Между тем средний фазовый сдвиг составлял Δχ = 115°, что также далеко от 0. Это ясно демонстрировало, что отдельные электроны, вылетающие из каждого атома, должны поэтому иметь волнообразную природу, пока они не будут обнаружены детектором как настоящие частицы. . На самом деле наши результаты прекрасно согласовывались с расчетами, проведенными Йонасом Ветцелем и Джамалом Беракдаром — двумя экспертами по квантовым расчетам процессов фотоионизации в Университете Мартина-Лютера в Галле, Германия.

Глядя в будущее, мы сейчас расширяем и уточняем наши модели для изучения интерференции в других атомах, для других состояний и при других режимах. Недавно, например, они применялись для возбуждения с помощью фемтосекундных лазеров (2019 Phys. Rev. A 100 013407). Дальнейшие теоретические исследования показывают, что интерференционные члены могут быть значительно улучшены за счет выбора атомных состояний, близких по энергии, и действительно нет причин, по которым начальное состояние должно быть основным состоянием — мы также можем исследовать, что происходит, когда процесс начинается с возбужденный атом. Это могло бы помочь нам понять атмосферы звезд, в которых составляющие атомы часто находятся в возбужденном состоянии. Дальнейшие возможности заключаются в двухпутном возбуждении высоковозбужденных ридберговских атомов, в которых электроны находятся так далеко от ядра, что атомы размером с живую клетку, и поэтому могут использоваться в квантовых компьютерах.

Возможности ограничены только нашим воображением, что делает физику таким захватывающим и полезным занятием.

Эксперимент Юнга с двумя щелями

Эксперимент Юнга с двумя щелями

Next: Интерференция в тонких пленках
Вверх: Волновая оптика
Предыдущий: Принцип Гюйгенса

Первый серьезный вызов корпускулярной теории света был сделан
английским ученым Томасом Янгом в 1803 году. Янг обладал одним из
самые блестящие умы в истории науки. врач
по обучению он первым описал, как хрусталик человеческого
глаз меняет форму, чтобы сфокусироваться на объектах, находящихся на разном расстоянии.
Он также изучал физику и, помимо прочего,
окончательно установил волновую теорию света, описанную
ниже. Наконец, он также изучал египтологию и помогал
расшифровать Розеттский камень.

Янг знал, что звук — это волновое явление, и, следовательно, если два звука
волны одинаковой интенсивности, но не в фазе, достигают уха
затем они гасят друг друга, и не слышно ни звука. Этот феномен
называется интерференция . Янг рассуждал, что если бы свет был на самом деле
волновое явление, как он и подозревал, то аналогичный эффект интерференции
должно происходить для света. Эта линия рассуждений привела Янга к выполнению
эксперимент, который в настоящее время называется двухщелевым экспериментом Юнга .
эксперимент .

В эксперименте Юнга две очень узкие параллельные щели, разделенные
расстояние, разрезаются на
тонкий лист металла. Монохроматический свет от удаленного источника света проходит
через щели и в конечном итоге попадает на экран сравнительно большого
расстояние от щелей. Экспериментальная установка нарисована
на рис. 86.

Согласно принципу Гюйгенса каждая щель излучает сферические световые волны.
Световые волны, исходящие из каждой щели, накладываются на экран. Если
волны не в фазе то деструктивная помеха
происходит, что приводит к темному пятну на экране. С другой стороны,
если волны полностью совпадают по фазе, то конструктивная интерференция
происходит, в результате чего на экране появляется светлое пятно.

Точка на экране, которая находится точно напротив центральной точки
из
две щели, как показано на рис. 87, очевидно, связано с
яркое пятно. Это следует из того, что длина пути от каждой щели до
этот момент одинаковый. Волны, исходящие из каждой щели, первоначально
в фазе, так как все точки на фронте падающей волны находятся в фазе ( т. е. ,
волновой фронт прямой и параллельный металлическому листу).

волны все еще находятся в фазе в точке, так как они имеют
прошли равные расстояния, чтобы добраться до этой точки.

Из вышеизложенного следует, что общее условие конструктивного вмешательства
на экране
просто разница в длине пути между
две волны будут целое число количество длин волн. Другими словами,

куда
. Конечно, точка соответствует спец.
случай где . Из рис. 87 следует, что угловая
расположение го яркого пятна на экране определяется выражением

Аналогично, общее условие деструктивной интерференции
на экране это
разница в длине пути между двумя волнами составляет полуцелое
количество длин волн. Другими словами,

куда
. Отсюда следует, что угловая координата
темное пятно на экране задается

Обычно мы ожидаем, что длина волны падающего света
быть намного меньше, чем
перпендикулярное расстояние до экрана. Таким образом,

где измеряет положение на экране относительно точки .

Понятно, что интерференционная картина на экране состоит из
чередующиеся светлые и темные полосы , идущие параллельно щелям.
расстояния центров различных световых полос от точки
даны

куда
. Аналогично, расстояния между центрами
различные темные полосы от точки задаются

куда
.
Полосы расположены на равном расстоянии и имеют толщину .
Обратите внимание, что если расстояние от экрана намного больше, чем
расстояние между двумя щелями, затем толщина полос
на экране значительно превышает длину волны света. Таким образом,
при достаточно большом отношении можно было бы наблюдать
полосатый
интерференционная картина на экране, несмотря на то, что длина волны
видимого света составляет всего порядка 1 мкм. Действительно, когда Янг исполнил это
эксперименте в 1803 году он наблюдал интерференционную картину типа
описано выше. Конечно, это шаблон прямое следствие
волновой природы света и
совершенно необъяснимо на основании
геометрической оптики.

Интересно отметить, что, когда Янг впервые представил свои открытия
Лондонское Королевское общество высмеяло его.