Experiment cu dublă fantă

Experimentul cu dublă fantă este o variantă a experimentului lui Young , care ne permite să arătăm dualitatea undă-particulă a materiei . Richard Feynman spunea că acest experiment "... se află în centrul mecanicii cuantice. De fapt, conține singurul mister". ^[1] (pe lângă faptul că este fundamentală pentru formularea integralei pe căile pe care le-a introdus).

Istorie

Inițial, lumina a fost considerată de Newton de natură corpusculară , motivând realizarea experimentelor care au căutat confirmarea acestei ipoteze. La începutul secolului al XIX-lea, ideea că era compusă din unde a apărut din ce în ce mai sugestivă și din acest motiv, în 1801 Young a conceput un experiment , bazat pe două surse de lumină și două fante, care i-au evidențiat fără echivoc natura de undă. Dezvoltările teoretice ulterioare, în esență datorate lui Maxwell cu formularea ecuațiilor care descriu lumina ca undă electromagnetică , păreau să fi închis definitiv întrebarea.

Animația experimentului lui Young.

La începutul secolului al XX-lea, după ce Planck a formulat comportamentul corect al unui corp negru , totuși, au început să apară primele contradicții deoarece în anumite situații, așa cum a fost evidențiat în 1905 de Einstein cu ipoteza fotonului în efectul fotoelectric , lumina s-a comportat hotărât ca și când ar fi fost compusă din particule. Experimentele lui Millikan din 1916 au dovedit corectitudinea ipotezei fotonice, care a fost apoi confirmată definitiv de descoperirea efectului Compton din 1922. Aceasta a creat o situație problematică în fizică, deoarece lumina părea să prezinte un fel de dualism , care apare ca o undă sau particule.în diferite experimente. Dificultatea a fost cumva generalizată în 1924 de De Broglie cu ipoteza că toată materia a manifestat acest dualism, deschizând astfel ușile pentru depășirea problemei cu dezvoltarea mecanicii cuantice .

Dovada experimentală a acestui comportament „ciudat” a fost obținută în 1927 de Davisson și Germer ^[2] , care au observat modele de difracție făcând un fascicul de electroni să treacă printr-un cristal de nichel . Acest lucru a dat naștere posibilității de a utiliza fascicule de particule pentru a efectua experimente de interferență cu două fante, la fel cum făcuse Young cu lumina.

Descriere

Experimentul se desfășoară pe schema clasică Young, în care o barieră opacă cu două fante paralele cu lățimea adecvată este aranjată între o sursă de lumină și o placă fotografică.

Schema de experiment în două fante.

Cu toate acestea, în experimentul fantei duble, sunt adoptate plăci moderne de detectare, mult mai sensibile decât cele disponibile în secolul al XIX-lea, și o sursă extrem de slabă de lumină sau electroni, până la emisia unui singur foton ^[3] sau electron la un moment dat. În acest fel se verifică faptul că în ambele cazuri placa nu este expusă continuu, ci se formează puncte luminoase unice, indicative ale unui comportament corpuscular. Punctele, însă, nu respectă distribuția corpusculară clasică care le-ar avea localizate în corespondență cu fante, dar sunt inițial subțiate și cu o distribuție aparentă haotică, iar apoi, crescând treptat ca număr, evidențiază marginile de interferență tipice comportamentul valului (ultima figură jos dreapta). Același rezultat se obține și prin utilizarea particulelor mai mari, așa cum se va vedea în paragraful următor. Acest lucru demonstrează fără echivoc existența dualismului undă-particulă , atât a materiei, cât și a radiației electromagnetice . În special, se poate observa că poziția particulei pe ecran este afectată de prezența celor două fante "ca și cum" ea, comportându-se ca o undă și traversându-le pe amândouă, a fost împărțită în două unde noi care interferează cu fiecare altul (vezi experimentul lui Young ), în timp ce în momentul în care este „observat” prin detectarea pe ecran apare doar ca corpuscul. Demonstrarea fenomenului de interferență este posibilă doar prin observarea mai multor particule.

Schimbarea rezultatelor (interferență de la unde la stânga, corpusculă gaussiană la dreapta) în funcție de faptul dacă electronii sunt observați de-a lungul traseului lor sau dacă traiectoria lor este observată

Figura de interferență de la lumina laserului .

Legat de acest lucru este un alt aspect esențial al experimentului cu două fante: lipsa cunoștințelor despre care fanta a trecut de fapt particula. De fapt, observarea figurii de interferență este garantată numai în cazul în care nu se adaugă dispozitive de măsurare capabile să determine calea particulei, prin efectuarea unui experiment de tip „ care-cale ”; dacă intervenim în acest fel, rezultatul final este dispariția figurii de interferență, adică a comportamentului undei, în favoarea celei corpusculare. Acest efect l-a motivat pe Niels Bohr să introducă principiul complementarității , conform căruia cele două aspecte, corpusculare și unde, nu pot fi observate în același timp, deoarece se exclud reciproc, adică tipul de experiment determină comportamentul ulterior al particulelor implicate în aceasta.

Așa-numitul experiment Afshar în care autorul a declarat că a demonstrat o încălcare a principiului complementarității a provocat senzație în acest sens. ^{[4] [5]} Aceste rezultate au fost respinse prin verificări independente efectuate ulterior.

Interferența cuantică

Un experiment de interferență cu două fante face vizibilă dualitatea undă-particulă , arătând manifestările de undă ( franjuri de interferență ) ale particulelor cuantice.

Experimente

Experiment cu dublă fantă efectuat cu electroni simpli. Imaginile sunt realizate după trimiterea (a) 10, (b) 200, (c) 6.000, (d) 40.000, (e) 140.000 electroni.

Experimentul cu dublă fantă folosind un fascicul de electroni a fost realizat pentru prima dată de Claus Jönsson de la Universitatea din Tübingen în 1961. ^[6] A fost apoi repetat în 1974 la Bologna de Pier Giorgio Merli , Gianfranco Missiroli și Giulio Pozzi trimitând un electron la o dată pe placa fotografică. ^[7] Ideea lui Merli și a colaboratorilor săi a fost să folosească un microscop electronic atât ca interferometru , cât și ca sursă de electroni, trecându-i printr-un biprism de electroni, așa cum a fost conceput inițial de Gottfried Möllenstedt. Rezultatele experimentului din 1974, deși au fost publicate și chiar a fost realizat un documentar despre acesta, au fost aproape ignorate. Când Akira Tonomura și colaboratorii au repetat experimentul în 1989, au fost considerați în mod eronat primii care au verificat acest rezultat, prezis de mecanica cuantică. ^[8] În 2002, versiunea cu un singur electron a experimentului a fost votată „cel mai tare experiment vreodată” de către cititorii revistei populare Physics World . ^[9]

Primele experimente în care s-au folosit neutroni , datorită lui Helmut Rauch, datează și ele din 1974. ^[10] În acest caz, s-a folosit un cristal de siliciu pentru a exploata difracția Bragg și au două fascicule de neutroni coerente care trebuie trimise la interferometru.

Interferometria cu tehnica cu două fante pentru particulele cuantice a atins niveluri de excelență în timp. În 1999, Anton Zeilinger și colaboratorii săi de la Universitatea din Viena au reușit să realizeze experimentul lui Young folosind molecule de fuleren , ^[11] o moleculă cu 60 de atomi de carbon. Excepționalitatea experimentului se datorează faptului că dualismul undă-particulă cu particule de această dimensiune nu a fost niciodată observat. În 2003 , aceiași autori au extins experimentul de interferență la molecule mai grele, tetrafenilporfirine sau fluorofullerene cu 60 de atomi de carbon și 48 de fluor , confirmând încă o dată dovezile dualismului. ^{[12] [13]}

Experimentele au continuat, tot la Universitatea din Viena, sub conducerea lui Markus Arndt. Tehnica experimentală dezvoltată folosește un interferometru Talbot-Lau și constituie o inovație în domeniul interferometriei. A fost posibil să se demonstreze dualismul undă-particulă cu molecule din ce în ce mai masive. În 2012, la Centrul de Știință și Tehnologie Cuantică din Viena, acest grup a publicat un rezultat cu ftalocianină și derivații săi. Aceste molecule s-au dovedit a fi primele care au prezentat un comportament cuantic pentru masele de 514 AMU și respectiv 1298 AMU . ^[14]

Un experiment cu dublă fantă , efectuat în 2012, a făcut vizibilă dualitatea undă-particulă în timp real, arătând manifestări de undă într-un fascicul coerent de particule. ^[14] Apariția modelului de interferență a necesitat, pe lângă producerea unui fascicul de particule cu coerența necesară, și eliminarea efectelor distructive ale interacțiunii dintre molecule, datorită forțelor Van der Waals . ^[14] Pe lângă valoarea didactică și informativă (formarea figurii de interferență este vizibilă într-un videoclip publicat pe YouTube ^[15] ), experimentul permite explorarea granițelor dintre comportamentul clasic și comportamentul cuantic . ^[14]

În 2018, prima demonstrație a interferenței cuantice a antimateriei a fost obținută de grupul condus de M. Giammarchi la laboratorul de pozitroni ai R. Ferragut de la Politecnico di Milano . ^[16]

Interpretări

Particularitatea experimentelor de interferență discutate până acum a motivat diferite interpretări ale rezultatelor.

O posibilă interpretare, încă legată de categoriile clasice de undă și particulă , descrie rezultatele ca urmare a două modalități diferite:

1. o propagare a undei în spațiul dintre sursă, fanta dublă și ecran;
2. urmată de o detectare precisă a impactului particulei pe ecran.

Evident, nicio entitate clasică nu prezintă un astfel de comportament dual , caracteristic sistemelor cuantice.

Conform altor analize, conceptele clasice de undă și particulă trebuie utilizate simultan pentru a înțelege modul în care apare interferența cu dublă fantă. Pe această linie, s-au dezvoltat interpretări alternative ale mecanicii cuantice față de cea obișnuită de la Copenhaga , cum ar fi interpretarea lui Bohm , care preia ipoteza de Broglie într-o cheie actualizată.

Din punct de vedere experimental, nu este posibil să se stabilească care este interpretarea corectă dintre cele două, care sunt echivalente empiric deoarece se bazează pe același formalism, ecuația Schrödinger . Diferența dintre cele două interpretări este euristică . În acest caz, se bazează pe caracterul adecvat sau nu de a oferi o explicație (chiar subiectiv satisfăcătoare) comportamentului sistemelor cuantice, care diferă profund de cel al entităților (unde și particule) ale fizicii clasice .

O a treia abordare posibilă susține că conceptele clasice de undă și particulă trebuie depășite pentru a descrie rezultatele experimentale care scapă bunului simț. Prin urmare, au fost dezvoltate categorii conceptuale neclasice (cuantoni) pentru a descrie fenomenele cuantice. Depășirea principiului complementarității ( Bohr 1927 ) prin inegalitatea Greenberger și Yasin ( Greenberger și Yasin 1988 ) duce la identificarea ca cuantoni (care se disting în continuare în bosoni și fermioni ) toate entitățile cuantice: fotoni , electroni , neutroni etc. ..:

Notă

Bibliografie

Textele tehnice

• AF Franceză, Edwin F. Taylor, An Introduction to Quantum Physics , Norton, 1978, ISBN 0-393-09106-6 .
• Max Born , Emil Wolf, Principiile opticii , ediția a 6-a, Cambridge University Press, 1980, ISBN 0-521-63921-2 .
• Paul Tipler, Fizică pentru oamenii de știință și ingineri: electricitate, magnetism, lumină și fizică modernă elementară , ediția a 5-a, WH Freeman, 2004, ISBN 0-7167-0810-8 .

Textele de diseminare

• Richard P. Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter , Princeton University Press, 1988, ISBN 0-691-02417-0 .
• Philipp Frank,Filosofia științei , Prentice-Hall, 1957.
• John Gribbin,Q este pentru Quantum: Particle Physics from A to Z , Weidenfeld & Nicolson, 1999, ISBN 0-7538-0685-1 .
• Brian Greene, Universul elegant , Vintage, 2000, ISBN 0-375-70811-1 .
• Brian Greene, The Fabric of the Cosmos , Vintage, 2005, ISBN 0-375-72720-5 .
• Tony Moy, The New Quantum Univers , Cambridge University Press, 2003, ISBN 0-521-56457-3 .

Elemente conexe

• Interferență (fizică)
• Experimentul lui Young
• Experiment de alegere întârziată a lui Wheeler
• Experiment de anulare cuantică cu alegere întârziată
• Interferometrie
• Dualismul undei corpusculare
• Ipoteza lui de Broglie
• Principiul complementarității

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre experimentul cu dublă fantă

linkuri externe

• Derivarea simplă a condițiilor de interferență , la schools.matter.org.uk . Accesat la 2 octombrie 2008 (arhivat din original la 25 iunie 2008) .
• Experimentul Double Slit , pe physicsweb.org .
• Dublă fantă în timp , pe physicsweb.org .
• Keith Mayes explică Double Slit Experiment în engleză simplă , la thekeyboard.org.uk .
• Departamentul de fizică Carnegie Mellon, imagini foto ale inelelor lui Newton , pe physdemo.phys.cmu.edu . Accesat la 2 octombrie 2008 (arhivat din original la 3 aprilie 2009) .
• Demonstrație Java a experimentului cu două fante , la falstad.com . Accesat la 2 octombrie 2008 (arhivat din original la 12 octombrie 2008) .
• Demonstrație Java a interferenței cu două fante a lui Young , la vsg.quasihome.com .
• Animație de experiment cu două fante ( GIF ), pe pagina principală.univie.ac.at .
• Filme de interferență electronică din experimentul Merli (Bologna-Italia, 1974) , pe bo.imm.cnr.it.
• Videoclip Freeview „Electron Waves Unveil the Microcosmos” A Royal Institution Discourse de Akira Tonomura oferit de Vega Science Trust , la vega.org.uk.
• Filmele care prezintă evenimente cu un singur electron se acumulează pentru a forma un model de interferență în experimentele cu dublă fantă. (Dimensiunea fișierului = 3,8 Mb) (Durata filmului = 1m 8s) ( WMV ), la rdg.ext.hitachi.co.jp .
• Site-ul Hitachi care oferă fundal pentru videoclipul Tonomura și link către videoclip , la hitachi.com .
• „Interferența cu o singură particulă observată pentru obiectele macroscopice” , pe physorg.com .
• Huygens și interferențe , pe acoustics.salford.ac.uk .
• Huygens și interferențe ( PDF ), pe strings.ph.qmw.ac.uk . Accesat la 2 octombrie 2008 (arhivat din original la 26 iulie 2011) .
• Caltech: Universul mecanic, capitolul 50 - Particule și unde , pe video.google.com (arhivat din original la 9 aprilie 2009) .

Portal cuantic : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă de cuantică