Experiment des doppelten Schlitzes

Das Experiment des doppelten Schlitzes, manchmal genannt das Experiment von Young, ist eine Demonstration, dass Sache und Energie Eigenschaften sowohl von Wellen als auch von Partikeln zeigen können, und im Wesentlichen probabilistic Natur des Quants mechanische Phänomene demonstrieren. In der grundlegenden Version des Experimentes illuminiert eine zusammenhängende leichte Quelle wie ein Laserbalken einen dünnen Teller, der durch zwei parallele Schlitze durchstoßen ist, und das Licht, das die Schlitze durchführt, wird auf einem Schirm hinter dem Teller beobachtet. Die Welle-Natur des Lichtes veranlasst die leichten Wellen, die die zwei Schlitze durchführen sich einzumischen, helle und dunkle Bänder auf dem Schirm — ein Ergebnis erzeugend, das nicht erwartet würde, wenn Licht ausschließlich aus Partikeln bestände. Jedoch, auf dem Schirm, wie man immer findet, wird das Licht absorbiert, als ob es aus getrennten Partikeln oder Fotonen zusammengesetzt wurde. Das gründet den als Dualität der Welle-Partikel bekannten Grundsatz. Zusätzlich, wie man beobachtet, ist die Entdeckung von individuellen Fotonen von Natur aus probabilistic, der unerklärliche verwendende klassische Mechanik ist.

Übersicht

Wenn Licht ausschließlich aus gewöhnlichen oder klassischen Partikeln bestände, und diese Partikeln in einer Gerade durch einen Schlitz angezündet und erlaubt wurden, einen Schirm auf der anderen Seite zu schlagen, würden wir annehmen, ein Muster entsprechend der Größe und Gestalt des Schlitzes zu sehen. Jedoch, wenn dieses "Experiment des einzelnen Schlitzes" wirklich durchgeführt wird, ist das Muster auf dem Schirm ein Beugungsmuster, ein ziemlich schmales Hauptband mit der dunkleren Band-Parallele dazu auf jeder Seite. (Sieh die Spitzenfotographie nach rechts.)

Ähnlich, wenn Licht ausschließlich aus klassischen Partikeln bestände und wir zwei parallele Schlitze illuminiert haben, würde das erwartete Muster auf dem Schirm einfach die Summe der zwei Muster des einzelnen Schlitzes sein. In der Aktualität, jedoch, wird das Muster breiter und viel ausführlicher einschließlich einer Reihe von leichten und dunklen Bändern. (Sieh die unterste Fotographie nach rechts.) Als Thomas Young zuerst dieses Phänomen demonstriert hat, hat es angezeigt, dass Licht aus Wellen besteht, weil der Vertrieb der Helligkeit durch die abwechselnd zusätzliche und abziehende Einmischung von wavefronts erklärt werden kann. Das Experiment von Young hat eine Lebensrolle in der Annahme der Wellentheorie des Lichtes am Anfang der 1800er Jahre gespielt, die Korpuskulartheorie des Lichtes besiegend, das von Isaac Newton vorgeschlagen ist, der das akzeptierte Modell der leichten Fortpflanzung in den 17. und 18. Jahrhunderten gewesen war. Jedoch hat die spätere Entdeckung der fotoelektrischen Wirkung demonstriert, dass unter verschiedenen Verhältnissen sich Licht benehmen kann, als ob es aus getrennten Partikeln zusammengesetzt wird. Diese anscheinend widersprechenden Entdeckungen haben es notwendig gemacht, klassische Physik zu übertreffen und die Quant-Natur des Lichtes in Betracht zu ziehen.

Das Experiment des doppelten Schlitzes (und seine Schwankungen), geführt mit individuellen Partikeln, ist ein Gedanke-Experiment des Klassikers für seine Klarheit im Ausdrücken der Haupträtsel der Quant-Mechanik geworden. Weil es die grundsätzliche Beschränkung des Beobachters demonstriert, um experimentelle Ergebnisse vorauszusagen, hat Richard Feynman es "ein Phänomen genannt, das unmöglich ist..., auf jede klassische Weise zu erklären, und das darin das Herz der Quant-Mechanik hat. In Wirklichkeit enthält es das einzige Mysterium [der Quant-Mechanik]." und hat Ausspruch geliebt, dass die ganze Quant-Mechanik davon nachgelesen werden kann, die Implikationen dieses einzelnen Experimentes sorgfältig zu Ende zu denken. Časlav Brukner und Anton Zeilinger haben diese Beschränkung wie folgt kurz und bündig ausgedrückt:

Die Englert-Greenberger Dualitätsbeziehung stellt eine ausführliche Behandlung der Mathematik der Einmischung des doppelten Schlitzes in den Zusammenhang der Quant-Mechanik zur Verfügung.

Ein Experiment des doppelten Schlitzes der niedrigen Intensität wurde zuerst von G. Taylor 1909, durch das Reduzieren des Niveaus des Ereignis-Lichtes durchgeführt, bis Foton-Ereignisse der Emission/Absorption größtenteils nichtüberlappten.

Ein Experiment des doppelten Schlitzes wurde mit nichts anderem durchgeführt als Licht bis 1961, als Clauss Jönsson von der Universität von Tübingen es mit Elektronen durchgeführt hat. 2002 wurde das Experiment des doppelten Schlitzes von Jönsson "das schönste Experiment" von Lesern der Physik-Welt gewählt.

1999, wie man fand, haben Gegenstände, die groß genug sind, um unter einem Elektronmikroskopbuckyball Moleküle (Diameter ungefähr 0.7 nm gesehen zu werden, die fast eine halbe Million Male größer sind als ein Proton) — Welle ähnliche Einmischung ausgestellt.

Das Äußere der von individuellen Fotonen aufgebauten Einmischung konnte durch das Annehmen anscheinend erklärt werden, dass ein einzelnes Foton seinen eigenen vereinigten wavefront hat, der beide Schlitze durchführt, und dass das einzelne Foton auf dem Entdecker-Schirm gemäß den Nettowahrscheinlichkeitswerten auftauchen wird, die sich aus dem Zufall der zwei Wahrscheinlichkeitswellen ergeben, die über die zwei Schlitze kommen. Jedoch sind mehr komplizierte Systeme, die zwei oder mehr Partikeln in die Überlagerung einschließen, solch einer einfachen, klassisch intuitiven Erklärung nicht zugänglich.

Schwankungen des Experimentes

Einmischung von individuellen Partikeln

Eine wichtige Version dieses Experimentes schließt einzelne Partikeln ein (oder Wellen — für die Konsistenz, sie werden Partikeln hier genannt). Das Senden von Partikeln durch einen Apparat des doppelten Schlitzes läuft einer nach dem anderen auf einzelne Partikeln hinaus, die auf dem Schirm, wie erwartet, erscheinen. Bemerkenswert, jedoch, erscheint ein Einmischungsmuster, wenn diesen Partikeln erlaubt wird, sich eins nach dem anderen zu entwickeln (sieh das Image nach rechts). Zum Beispiel, als ein Laborapparat entwickelt wurde, der ein Elektron auf einmal durch den doppelten Schlitz zuverlässig anzünden konnte, hat das Erscheinen eines Einmischungsmusters darauf hingewiesen, dass jedes Elektron sich störte, und deshalb in einem fühlen, dass das Elektron beide Schlitze sofort — eine Idee durchgehen musste, die unserer täglichen Erfahrung von getrennten Gegenständen widerspricht. Wie man auch gezeigt hat, ist dieses Phänomen mit Atomen und sogar einigen Molekülen einschließlich buckyballs vorgekommen. So fügen Experimente mit Elektronen bestätigende Beweise zur Ansicht von Dirac hinzu, dass Elektronen, Protone, Neutronen und noch größere Entitäten, die normalerweise Partikeln dennoch genannt werden, ihre eigene Welle-Natur und sogar ihre eigenen spezifischen Frequenzen haben.

Diese experimentelle Tatsache ist hoch reproduzierbar, und die Mathematik der Quant-Mechanik erlaubt uns (sieh unten), die genaue Wahrscheinlichkeit eines Elektrons vorauszusagen, das den Schirm an jedem besonderen Punkt schlägt. Jedoch erreichen die Elektronen den Schirm in keiner voraussagbaren Ordnung. Mit anderen Worten, wissend, wo alle vorherigen Elektronen auf dem Schirm und darin erschienen sind, welche Ordnung uns nichts darüber erzählt, wo jedes zukünftige Elektron schlagen wird, wenn auch die Wahrscheinlichkeiten an spezifischen Punkten berechnet werden können. (Bemerken Sie, dass es nicht die Wahrscheinlichkeiten von Fotonen sind, die an verschiedenen Punkten entlang dem Entdeckungsschirm erscheinen, die hinzufügen oder annullieren, aber die Umfänge. Wahrscheinlichkeiten sind die Quadrate von Umfängen. Bemerken Sie auch dass, wenn es eine Annullierung von Wellen an einem Punkt gibt, der nicht bedeutet, dass ein Foton verschwindet; es bedeutet nur, dass die Wahrscheinlichkeit eines Erscheinens eines Fotons an diesem Punkt, und die Wahrscheinlichkeit abnehmen wird, dass es sonst wohin Zunahmen erscheinen wird.) So haben wir das Äußere eines anscheinend grundlosen Auswahl-Ereignisses in einer hoch regelmäßigen und voraussagbaren Formulierung des Einmischungsmusters. Seit dem Beginn der Quant-Mechanik haben einige Theoretiker nach Weisen gesucht, zusätzliche Determinanten oder "verborgene Variablen" zu vereinigen, dass, waren, sie, um bekannt zu werden, würde für die Position jedes individuellen Einflusses mit dem Ziel verantwortlich sein.

Mit Partikel-Entdeckern an den Schlitzen

Der Apparat des doppelten Schlitzes kann durch das Hinzufügen von an den Schlitzen eingestellten Partikel-Entdeckern modifiziert werden. Das ermöglicht dem Experimentator, die Position einer Partikel nicht zu finden, wenn sie den Schirm, aber eher zusammenpresst, wenn sie den doppelten Schlitz durchführt — ging sie nur einen der Schlitze durch, weil, wie man erwarten würde, eine Partikel, oder durch beide tat, wie, wie man erwarten würde, eine Welle tat? Zahlreiche Experimente haben jedoch gezeigt, dass jede Modifizierung des Apparats, der bestimmen kann, die eine Partikel aufschlitzen, durchgeht, reduziert die Sichtbarkeit der Einmischung am Schirm, dadurch den complementarity Grundsatz illustrierend: dieses Licht (und Elektronen, usw.) kann sich entweder als Partikeln oder als Wellen, aber nicht beide zur gleichen Zeit benehmen. Ein Experiment hat 1987 erzeugte Ergebnisse durchgeführt, die demonstriert haben, dass Information erhalten werden konnte, bezüglich dessen Pfads eine Partikel genommen hatte, ohne die Einmischung zusammen zu zerstören. Das hat die Wirkung von Maßen gezeigt, die die Partikeln unterwegs zu einem kleineren Grad gestört haben und dadurch das Einmischungsmuster nur in einem vergleichbaren Ausmaß beeinflusst haben.

Es gibt viele Methoden zu bestimmen, ob ein Foton einen Schlitz, zum Beispiel durch das Stellen eines Atoms an der Position jedes Schlitzes durchgeführt hat. Interessante Experimente dieser letzten Art sind mit Fotonen und mit Neutronen durchgeführt worden.

Verzögerte Wahl und Quant-Radiergummi-Schwankungen

Das Experiment der verzögerten Wahl und der Quant-Radiergummi sind hoch entwickelte Schwankungen des doppelten Schlitzes mit Partikel-Entdeckern gelegt nicht an den Schlitzen, aber anderswohin im Apparat. Das erste demonstriert, dass das Extrahieren, "welcher Pfad" Information nach einer Partikel die Schlitze durchführt, scheinen kann, sein vorheriges Verhalten an den Schlitzen rückwirkend zu verändern. Das zweite demonstriert, dass Welle-Verhalten durch das Auslöschen oder sonst das Bilden dauerhaft nicht verfügbar "der Pfad" Information wieder hergestellt werden kann.

Andere Schwankungen

1967 haben Pfleegor und Mandel Zwei-Quellen-Einmischung mit zwei getrennten Lasern als leichte Quellen demonstriert.

Es wurde experimentell 1972 gezeigt, dass in einem System des doppelten Schlitzes, wo nur ein Schlitz jederzeit offen war, Einmischung dennoch beobachtet wurde, vorausgesetzt dass der Pfad-Unterschied solch war, dass das entdeckte Foton aus jedem Schlitz gekommen sein könnte. Die experimentellen Bedingungen waren solch, dass die Foton-Dichte im System viel weniger war als Einheit.

Das Experiment ist mit Partikeln so groß durchgeführt worden wie C60 (Buckminsterfullerene).

Klassische Wellenoptik-Formulierung

Viel vom Verhalten des Lichtes kann mit der klassischen Wellentheorie modelliert werden. Der Grundsatz von Huygens-Fresnel ist ein solches Modell; es stellt fest, dass jeder Punkt auf einem wavefront eine sekundäre kugelförmige Elementarwelle erzeugt, und dass die Störung an jedem nachfolgenden Punkt durch das Summieren der Beiträge der individuellen Elementarwellen an diesem Punkt gefunden werden kann. Diese Summierung muss die Phase sowie den Umfang der individuellen Elementarwellen in Betracht ziehen. Es sollte bemerkt werden, dass nur die Intensität eines leichten Feldes gemessen werden kann - ist das zum Quadrat des Umfangs proportional.

Im Experiment des doppelten Schlitzes werden die zwei Schlitze durch einen einzelnen Laserbalken illuminiert. Wenn die Breite der Schlitze klein genug ist (weniger als die Wellenlänge des Laserlichtes), beugen die Schlitze das Licht in zylindrische Wellen. Diese zwei zylindrischen wavefronts, sind und der Umfang überlagert, und deshalb hängt die Intensität, an jedem Punkt im vereinigten wavefronts sowohl vom Umfang als auch von der Phase der zwei wavefronts ab. Der Unterschied in der Phase zwischen den zwei Wellen wird durch den Unterschied bestimmt in der Ferne ist durch die zwei Wellen gereist.

Wenn der Augenabstand im Vergleich zur Trennung der Schlitze groß ist (das weite Feld), kann der Phase-Unterschied mit der Geometrie gefunden werden, die in der Zahl unter dem Recht gezeigt ist. Durch den Pfad-Unterschied zwischen zwei Wellen, die in einem Winkel reisen, wird gegeben:

:

Wenn die zwei Wellen in der Phase sind, d. h. der Pfad-Unterschied einer integrierten Zahl von Wellenlängen, dem summierten Umfang gleich ist, und deshalb die summierte Intensität maximal ist, und wenn sie in der Antiphase sind, d. h. der Pfad-Unterschied einer halben Wellenlänge, anderthalb Wellenlängen usw. gleich ist, dann annullieren die zwei Wellen, und die summierte Intensität ist Null. Diese Wirkung ist als Einmischung bekannt. Die Einmischungsfranse-Maxima kommen in Winkeln vor

:

wo λ die Wellenlänge des Lichtes ist. Der winkelige Abstand der Fransen ist wird durch gegeben

:

Der Abstand der Fransen in einer Entfernung von den Schlitzen wird durch gegeben

:

Zum Beispiel, wenn zwei Schlitze durch 0.5mm getrennt werden, und mit einem 0.6μm Wellenlänge-Laser illuminiert werden, wird der Abstand der in einer Entfernung von 1 M angesehenen Fransen 1.2 Mm sein.

Wenn die Breite der Schlitze größer ist als die Wellenlänge, gibt die Beugungsgleichung von Fraunhofer die Intensität des gebeugten Lichtes als:

:\begin {richten }\aus

Ich (\theta)

&\\propto \cos^2 \left [{\\frac {\\Pi d \sin \theta} {\\Lambda} }\\Recht] ~ \mathrm {Sünde} ^2 \left [\frac {\\Pi b sündigen \theta} {\\Lambda} \right]

\end {richten }\aus</Mathematik>

Das wird in der Zahl oben illustriert, wo das erste Muster das Beugungsmuster eines einzelnen Schlitzes ist, der durch die Funktion in dieser Gleichung gegeben ist, und die zweite Zahl die vereinigte Intensität des von den zwei Schlitzen gebeugten Lichtes zeigt, wo die Funktion die Feinstruktur vertritt, und die rauere Struktur Beugung durch die individuellen Schlitze, wie beschrieben, durch die Funktion vertritt.

Ähnliche Berechnungen für fast Feld können mit der Beugungsgleichung von Fresnel getan werden. Da das Flugzeug der Beobachtung näher am Flugzeug wird, in dem die Schlitze, die Beugungsmuster gelegen werden, die mit jeder Schlitz-Abnahme in der Größe vereinigt sind, so dass das Gebiet, in dem Einmischung vorkommt, reduziert wird, und zusammen verschwinden kann, wenn es kein Übergreifen in den zwei gebeugten Mustern gibt.

Interpretationen des Experimentes

Wie das Katze-Gedanke-Experiment von Schrödinger wird das Experiment des doppelten Schlitzes häufig verwendet, um die Unterschiede und Ähnlichkeiten zwischen den verschiedenen Interpretationen der Quant-Mechanik hervorzuheben.

Kopenhagener Interpretation

Die Kopenhagener Interpretation ist eine Einigkeit unter einigen der Pioniere im Feld der Quant-Mechanik, dass es unerwünscht ist, um irgendetwas zu postulieren, was die mathematischen Formeln und die Arten des physischen Apparats und der Reaktionen übertrifft, die uns ermöglichen, einige Kenntnisse dessen zu gewinnen, was an der Atomskala weitergeht. Eine der mathematischen Konstruktionen, die Experimentatoren ermöglicht, sehr genau bestimmte experimentelle Ergebnisse vorauszusagen, wird manchmal eine Wahrscheinlichkeitswelle genannt. In seiner mathematischen Form ist es der Beschreibung einer physischen Welle analog, aber seine "Kämme" und "Tröge" zeigen Niveaus der Wahrscheinlichkeit für das Ereignis von bestimmten Phänomenen an (z.B, ein Funken des Lichtes an einem bestimmten Punkt auf einem Entdecker-Schirm), der in der Makrowelt der gewöhnlichen menschlichen Erfahrung beobachtet werden kann.

Wie man

sagen kann, führt die Wahrscheinlichkeit "Welle" Raum "durch", weil die Wahrscheinlichkeitswerte, die man von seiner mathematischen Darstellung schätzen kann, rechtzeitig abhängig sind. Man kann von der Position keiner Partikel wie ein Foton zwischen der Zeit sprechen es wird ausgestrahlt und die Zeit es wird einfach weil entdeckt, um zu sagen, dass etwas irgendwo in einer bestimmten Zeit gelegen wird, muss man es entdecken. Die Voraussetzung für das schließliche Äußere eines Einmischungsmusters ist, dass Partikeln, und dass ausgestrahlt werden, dort ein Schirm mit mindestens zwei verschiedenen Pfaden für die Partikel sein, um vom Emitter zum Entdeckungsschirm zu nehmen. Experimente beobachten nichts überhaupt zwischen der Zeit der Emission der Partikel und seiner Ankunft am Entdeckungsschirm. Wenn eine Strahlenaufzeichnung dann gemacht wird, als ob eine leichte Welle (wie verstanden, in der klassischen Physik) breit genug ist, um sowohl Pfade zu nehmen, dann wird diese Strahlenaufzeichnung das Äußere von Maxima als auch Minima auf dem Entdecker-Schirm genau voraussagen, wenn viele Partikeln den Apparat durchführen und allmählich das erwartete Einmischungsmuster "malen".

Mit dem Pfad integrierte Formulierung

Die Kopenhagener Interpretation ist dem Pfad integrierte Formulierung der von Feynman zur Verfügung gestellten Quant-Mechanik ähnlich. Der Pfad integrierte Formulierung ersetzt den klassischen Begriff einer einzelnen, einzigartigen Schussbahn für ein System mit einer Summe über alle möglichen Schussbahnen. Die Schussbahnen werden zusammen durch das Verwenden funktioneller Integration hinzugefügt.

Jeder Pfad wird ebenso wahrscheinlich betrachtet, und trägt so denselben Betrag bei. Jedoch wird die Phase dieses Beitrags an jedem gegebenen Punkt entlang dem Pfad durch die Handlung entlang dem Pfad bestimmt (sieh die Formel von Euler):

::

Alle diese Beiträge werden dann zusammen hinzugefügt, und der Umfang des Endresultats wird quadratisch gemacht, um den Wahrscheinlichkeitsvertrieb für die Position einer Partikel zu bekommen:

::

Wie immer der Fall ist, wenn man Wahrscheinlichkeit berechnet, müssen die Ergebnisse dann normalisiert werden:

::

Um zusammenzufassen, ist der Wahrscheinlichkeitsvertrieb des Ergebnisses das normalisierte Quadrat der Norm der Überlagerung über alle Pfade vom Punkt des Ursprungs zum Endpunkt von Wellen, die sich proportional zur Handlung entlang jedem Pfad fortpflanzen. Die Unterschiede in der kumulativen Handlung entlang den verschiedenen Pfaden (und so die Verhältnisphasen der Beiträge) erzeugen das durch das Experiment des doppelten Schlitzes beobachtete Einmischungsmuster. Feynman hat betont, dass seine Formulierung bloß eine mathematische Beschreibung, nicht ein Versuch ist, einen echten Prozess zu beschreiben, den wir nicht messen können.

Verwandtschaftsinterpretation

Gemäß der Verwandtschaftsinterpretation der Quant-Mechanik, die zuerst von Carlo Rovelli vorgeschlagen ist, resultieren Beobachtungen wie diejenigen im Experiment des doppelten Schlitzes spezifisch aus der Wechselwirkung zwischen dem Beobachter (Gerät messend), und dem Gegenstand, der (physisch aufeinander gewirkt), nicht jedes durch den Gegenstand besessene uneingeschränkte Eigentum wird beobachtet. Im Fall von einem Elektron, wenn es an einem besonderen Schlitz, dann die Beobachter-Partikel (Foton-Elektron) am Anfang "beobachtet" wird, schließt Wechselwirkung Information über die Position des Elektrons ein. Das beschränkt teilweise die schließliche Position der Partikel am Schirm. Wenn es (gemessen mit einem Foton) nicht an einem besonderen Schlitz, aber eher am Schirm "beobachtet" wird, dann gibt es nicht, "welcher Pfad" Information als ein Teil der Wechselwirkung, so wird "die beobachtete" Position des Elektrons auf dem Schirm ausschließlich durch seine Wahrscheinlichkeitsfunktion bestimmt. Das macht das resultierende Muster auf dem Schirm dasselbe, als ob jedes individuelle Elektron beide Schlitze durchgeführt hatte. Es ist auch darauf hingewiesen worden, dass Raum und Entfernung selbst Verwandtschafts-sind, und dass ein Elektron scheinen kann, in "zwei Plätzen sofort" - zum Beispiel an beiden Schlitzen zu sein - weil seine Raumbeziehungen zu besonderen Punkten auf dem Schirm identisch von beiden Schlitz-Positionen bleiben.

Siehe auch

  • Verzögerter auserlesener Quant-Radiergummi
  • Doppelpolarisation Interferometry
  • Elitzur-Vaidman bombardieren Prüfer
  • Foton-Triebkräfte im doppelten Schlitz experimentieren
  • Foton-Polarisation
  • Quant-Kohärenz
  • Die Katze von Schrödinger
  • Die Einmischung von Jungem experimentiert

Weiterführende Literatur

Links

Huygens und Einmischung

Freescale DragonBall / Dan Bricklin
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