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

Физики воспроизвели опыт Юнга по интерференции света на двух щелях

28 января, 2019 11:05

Источник:

Индикатор

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.

Поделиться

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.

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».

Теги

Физика и космос

Опыт Юнга может перевернуть наше представление о реальности

Традиционный эксперимент в области физики может скрывать в себе знания о природе реальности, о которых мы и не догадывались. Классический опыт Юнга, известный также 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

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 Энштейна, — 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 квантово-механической 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.

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, что 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 обратно», 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.

Этот месяц в истории физики. В 17 веке Исаак Ньютон считал, что свет состоит из потока корпускул. В то время несколько ученых, в первую очередь голландский физик и астроном Христиан Гюйгенс, думали, что свет — это волна, вибрирующая в каком-то эфире.

На обе фотографии были улики. Например, звук, известный тогда как волна, может проходить по кривым трубам и огибать углы, а свет — нет, и этот факт был принят в качестве доказательства корпускулярной теории света. Но такие явления, как преломление, было трудно объяснить с помощью корпускулярной теории. Ньютону пришлось призвать необъяснимую силу, которая изменила скорость света в воде. Ньютон был также заинтригован и озадачен цветными полосами в мыльных пленках, но придерживался корпускулярной теории, несмотря на ее трудности.

Ньютон был настолько почитаем как ученый, что никто не мог оспорить его теорию. В 1801 году Томас Юнг бросил серьезный вызов представлениям Ньютона о природе света.

Янг был настоящим эрудитом, его интересы варьировались от физики до египтологии. Он родился в 1773 году в Милвертоне, на юго-западе Англии, в большой семье квакеров. В детстве он был вундеркиндом, научился читать к двум годам и выучил латынь в шесть лет.

Он начал изучать медицину в 1792, и был избран в Королевское общество в 1794 году. Он также интересовался чистой наукой. В 1801 году Янг был назначен лектором в недавно созданном Королевском институте в Лондоне, где он прочитал серию лекций на самые разные темы.

В рамках своих медицинских исследований Янг препарировал глаз быка, чтобы выяснить, как глаз фокусируется на объектах на разных расстояниях. Он также предложил теорию цветового зрения. Кроме того, он был очарован языками и защитил диссертацию о человеческом голосе, в которой придумал алфавит из 47 букв, охватывающий все человеческие звуки. Его исследования глаза и уха естественным образом привели к его интересу к изучению звука и света.

Янг впервые прочитал «Оптику» Ньютона в 1790 году в возрасте 17 лет и восхищался работами Ньютона. К 1800 году Янг увидел некоторые проблемы с корпускулярной теорией Ньютона. Например, он заметил, что на границах раздела между воздухом и водой часть света отражается, а часть преломляется, но корпускулярная теория не может легко объяснить, почему это происходит. Янг отметил, что корпускулярная теория также не может объяснить, почему разные цвета света преломляются в разной степени.

Известно, что звук представляет собой волну сжатия в воздухе; Янг думал, что свет может быть похожим. Он заметил, что когда две звуковые волны пересекаются, они интерферируют друг с другом, создавая биения. Хотя он не стал сразу же искать оптический эквивалент биений, он начал понимать, что свет также может проявлять интерференционные явления.

В мае 1801 года, обдумывая некоторые из экспериментов Ньютона, Янг пришел к основной идее ныне известного эксперимента с двумя щелями для демонстрации интерференции световых волн. Демонстрация предоставила бы веские доказательства того, что свет — это волна, а не частица.

В первой версии эксперимента Янг использовал не две прорези, а одну тонкую карту. Он закрыл окно листом бумаги с крошечной дыркой. Через отверстие прошел тонкий луч света. Он держал карту в луче света, разделив луч на две части. Свет, проходящий с одной стороны карты, мешал свету с другой стороны карты, создавая полосы, которые Янг наблюдал на противоположной стене.

Янг также использовал свои данные для расчета длин волн различных цветов света, что очень близко к современным значениям.

В ноябре 1801 года Янг представил Королевскому обществу свою статью под названием «К теории света и цвета». В этой лекции он описал интерференцию световых волн и щелевой эксперимент. Он также провел аналогию со звуковыми волнами и водными волнами и даже разработал демонстрационный волновой резервуар, чтобы показать интерференционные картины в воде.

Несмотря на убедительный эксперимент Янга, люди не хотели верить, что Ньютон ошибался. «Как бы я ни почитал имя Ньютона, я не обязан поэтому верить, что он был непогрешимым», — писал Янг в ответ одному критику. Разочарованный реакцией на свои исследования света, Янг решил сосредоточиться на медицине, хотя как врач он никогда не добился больших успехов. Он проделал дополнительную работу по физике, и в 1807 г. Янг опубликовал некоторые из своих лекций, в том числе вариант интерференционного эксперимента с двумя щелями.

Перед своей смертью в мае 1829 года Янг участвовал в расшифровке Розеттского камня и написал множество статей для Британской энциклопедии по широкому кругу вопросов, включая мост, столярное дело, хроматику, Египет, языки, приливы и весы и меры.

Базовая установка с двумя щелями, предложенная Янгом, с тех пор использовалась не только для демонстрации того, что свет ведет себя как волна, но и для демонстрации того, что электроны могут вести себя как волны и создавать интерференционные картины. С момента развития квантовой механики физики знают, что свет — это и частица, и волна, а не просто одно или другое.

Квантовая механика и то, как мы формируем друг друга

Мо Эджлали, главный организатор сообщества Mindful Leader

Недавно нас пригласили поделиться премьерой фильма «Бесконечный потенциал», рассказывающего о Дэвиде Боме. Это увлекательный фильм, который доступен бесплатно на YouTube здесь. В нем рассказывается о жизни и работе физика Дэвида Бома, которого Эйнштейн называл своим духовным сыном, а Далиа-ламу — своим научным гуру. Фильм исследует квантовую механику, и один эксперимент, в частности, продолжает интриговать меня — двойная щель. По сути, когда вы наблюдаете за частицами в эксперименте, результаты меняются. Я не могу отдать должное, объясняя эксперимент, но обнаружил, что это видео из Королевского института профессора Джима Аль-Халили отлично справляется со своей задачей.

Ниже приведено изображение эксперимента с двумя щелями, где в одном случае без наблюдения частица ведет себя как волна, а при наблюдении ведет себя как частица.

Изображение предоставлено Liquid Gravity.

Я давно очарован и озадачен квантовой механикой и этим конкретным экспериментом. Я не один; на самом деле никто не понял, как это работает. И это касается самих квантовых физиков!

«Думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику», — Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по квантовой физике

Я немного подозрительно отношусь к тому, что люди включают квантовую механику в свои аргументы, поскольку никто не понимает квантовую механику, даже квантовые физики. Очень легко получить всю лженауку и использовать ее для объяснения других вещей, которые мы не понимаем и пытаемся понять.

Итак, я здесь, вроде как делаю то, что только что сказал, но не совсем. Я хотел бы изучить свойство квантовой механики и показать, насколько оно похоже на психологическую концепцию. Внимание, спойлер : я не разгадал секрет жизни или сознания.

Идея, с которой я хотел бы поиграть, это суперпозиция. В квантовой механике частица может находиться в нескольких состояниях одновременно. Когда за частицей наблюдают, она «выбирает» одно из этих состояний.

Изображение предоставлено этому видео на YouTube.

Когда ядро ​​изотопа полония-190 альфа распадается, свинец-186 принимает три формы одновременно — это может быть мяч, сплющенный мяч и мяч для регби одновременно. После наблюдения он выбирает состояние. Я нахожу эту идею суперпозиции очаровательной, идею о том, что вещи существуют в нескольких состояниях, когда их не наблюдают, а затем выбирают состояние/форму при наблюдении.

Я думал о том, как я могу сказать, что то же самое верно и для меня. Что я выгляжу по-разному, когда я одна, и когда я с другими. Есть что-то в том, что за нами наблюдают, что оказывает на нас поразительное внутреннее воздействие. Кто мы, когда мы одиноки/изолированы, сильно отличается от того, кто мы, когда мы с другими. И степень, в которой мы «изменяем форму», варьируется от человека к человеку и может меняться со временем.

Вы когда-нибудь замечали, что когда вы находитесь рядом с некоторыми людьми, вы ведете себя определенным образом, а рядом с другим человеком вы ведете себя иначе? Я не собираюсь утверждать, что это какой-то квантовый эффект, но есть интересное сходство. Как и частицы, я думаю, что когда мы находимся в изоляции или одни, мы можем быть сразу несколькими «формами», и что, когда кто-то наблюдает за нами, мы как бы включаемся в одну из этих «форм».

Конечно, все намного сложнее, и нам не нужна квантовая механика, чтобы исследовать это. Я помню очень рано, когда я начал делать эту работу, наблюдая за этим случайным выступлением на YouTube от учителя медитации. В своем выступлении он, по сути, сказал, что мы все создаем в голове свой собственный фильм, где мы режиссеры, а все вокруг нас актеры. Мы формируем людей вокруг нас, чтобы они были актерами, которые нужны нам для завершения нашей истории. В то же время мы являемся действующими лицами их истории, и они формируют нас, чтобы соответствовать им.

Мне нравится думать об этом почти как о гравитационном притяжении. Когда мы наблюдаем за кем-то определенным образом (с суждением или ожиданием), мы тянем его к этому образу жизни, а когда за нами наблюдают определенным образом, нас тянет быть такими, какими они нас считают или ожидают от нас. Когда эти два фактора совпадают (в хорошем или плохом смысле), притяжение становится очень сильным, и его трудно остановить. Когда тяги направлены в противоположные стороны, возникает большое напряжение.

Что я имею в виду? Ну, вот быстрый пример. Мой сын думает обо мне мир. Я его любимый человек во «всем мире» (как он сказал бы). Я знаю это и чувствую, что могу выразить себя таким образом, это форма, которую я принимаю внутренне и которая укрепляется снаружи. С другой стороны, у меня всю жизнь было предубеждение против безопасности в аэропортах. Вырос американцем иранского происхождения в Северной Вирджинии в 80-х и 99-х.0s (вспомните кризис с заложниками в Иране) Я всегда думал, что охрана хочет меня поймать и считает меня террористом. Это не было полностью придумано, мои родственники обычно подвергались дополнительной проверке по прибытии в США. Когда я наиболее сильно чувствовал, что охранник хочет меня достать, меня, скорее всего, обыскивали, а когда я чувствовал легкую невинность, меня, скорее всего, не обыскивали.

Какое место занимает психология? Несколько лет назад я открыл и погрузился в работу Карла Юнга и обнаружил, что концепции личности и переноса помогают понять эти концепции — не волнуйтесь, квантовая механика здесь не задействована, но позвольте мне предупредить вас, что юнгианская психология может оказаться довольно сложной. . Идея персоны, по Карлу Юнгу, была «своего рода маской, предназначенной, с одной стороны, производить определенное впечатление на других, а с другой — скрывать истинную природу индивидуума».

Перенос исходит из идеи Зигмунда Фрейда, изложенной в его книге 1895 года  Исследования истерии . Хорошая терапия объясняет: «перенос описывает ситуацию, когда чувства, желания и ожидания одного человека перенаправляются и применяются к другому человеку». Возможно, мы рассмотрим эти темы более подробно в другой статье.

Я написал это, вдохновленный фильмом и тем, что сейчас происходит. Как наше восприятие друг друга формирует нас? Какие внутренние нарративы мы рассказываем и как они рисуют, а затем создают реальности, которые мы видим? И как нам выйти из этого круга? Практика непредвзятого осознания — это лучший способ, который я нашел, чтобы попытаться увидеть «множество форм», которые каждый из нас держит одновременно, не заставляя кого-то принимать форму, играть роль или становиться личностью. И тихая, спокойная изоляция очень помогла мне увидеть множество форм, которые я держу внутри, без вмешательства или запутанности, возникающих из-за наблюдения кем-то другим.