Опыт юнга кратко и понятно

Обновлено: 30.06.2024

Юнг, проковыряв две маленькие дырочки в непроницаемом для света экране, задал задачу науке не разрешимую до сих пор. Лучшие умы мировой науки (Фейнман, Пенроуз и множество других наших и не наших столпов) никак не поймут, почему так не логично ведут себя частицы и волны при проходе через эти две злополучные дырочки Юнга. К сожалению, в рамках атомарного уровня познания это понять вообще невозможно, сколько не бейся. Надо перейти на квантовый уровень, на 20 порядков ниже.

И опыт то вроде простой. Ну не сравнишь же его с коллайдером. Приходится констатировать:

Загадочный эксперимент в области квантовой физики, результаты которого современная наука не может объяснить.

Прямо беда какая-то.

Вот классическая схема эксперимента. Рисунок 1.

S – источник света (у Юнга это обычный солнечный свет),

A – диафрагма с отверстием (у Юнга это оконная штора с небольшим отверстием),

B – непрозрачная пластина с отверстиями,

S1 и S2 – небольшие отверстия или щели в пластине,

И тут начинаются чудеса. Когда открыта только одна щель, на экране видна одна светлая полоса. Открывая вторую щель, мы надеемся получить вторую светлую полосу. Но не тут то было. Вместо двух полос мы видим три, а то и больше полос. На рисунке их пять. Все зависит от качества опыта. Причем оказывается, что расстояние между горбами кривой освещенности Δx для различных цветов различное.

Мало того средняя светлая полоса иногда оказывается прямо между отверстиями, куда свет по логике вещей вообще не должен попадать. А он попадает. Юнг смекнул, что свет имеет волновую структуру, и волны из двух щелей создают на экране интерференционную картинку. Примерно так:

Роджер Пенроуз в своей книге “Новый ум короля” тоже нарисовал примерно такую же картинку. Рисунок 6.7.

Как видите у него перед двумя щелями волна, которая делится щелями на две меньшие волны, которые и создают интерференционную картинку на экране. В одном месте колебания взаимно погашаются, а в другом взаимно усиливаются.

И по поводу этой картинки он высказал такие мысли.

Нет ничего загадочного в поведении обычной макроскопической классической волны, проходящей одновременно через две щели. Волна в конечном счете представляет собой всего лишь “возмущение” либо некоторой непрерывной среды (поля), либо некоторого вещества, состоящего из мириад крохотных точечных частиц .

Интересно, какие поля имеет в виду Пенроуз? Думаю, что кроме магнитного, электрического, электромагнитного, гравитационного и, может быть, торсионного полей, нам ничего найти не удастся. Может быть он хочет возвратится к эфиру или какому-нибудь особому вакууму? Что из этого было в комнате Юнга? Это эти поля интерферировали в его опытах? Похоже, что – нет.

Но вот последняя мысль о веществе, состоящем из мириад крохотных точечных частиц почти верна, если понимать под этим веществом свет, а не какую-то промежуточную среду. Пенроуз не пошел по этой тропе, возможно, из-за незнания эмиссионной теории Вальтера Ритца. А возможно из-за непонимания, что такое фотон . Ибо дальше говорится:

Но в корпускулярной картине ситуация иная: каждый отдельный фотон сам по себе ведет себя, как волна! Ибо, если значительно уменьшить полную интенсивность света, то можно гарантировать, что вблизи щелей будет находиться не более одного фотона одновременно .

А один фотон – это что частица, ведущая себя как волна? Что – это какая-то летящая со скоростью света частица и все время раздувающаяся, как шар? Причем поверхность этого шара должна колебаться с соответствующей частотой. Или частица летит до щелей, не выказывая своих волновых свойств? И когда она и при каких условиях вдруг обнаружит, что ей надо развернутся до плоской волны? Практически шару с бесконечным радиусом. Какая-то несуразица.

В самом деле фотон и есть то вещество, как пишет Пенроуз, состоящее из мириад крохотных точечных частиц, то есть одиночных элементарных фотонов. Естественно, что элементарные фотоны мы измерять не можем. Это сверхзадача для человечества. Конечно же, элементарный фотон не может создать и интерференционную картинку. Это компактные вихри, которые не обладают свойством увеличения или превращения в какой-то синусоидальный вид.

Пенроуз делает верно, когда сравнивает размер фотона с размерами щели и расстоянием между щелями. Он пишет:

Если в качестве “размера” фотона принять его длину волны, то в масштабе фотона вторая щель находится от первой на расстоянии около 300 “размеров фотона” (а ширина каждой щели составляет около двух длин волн фотона) .

Фотон никак не может одновременно контактировать с двумя щелями и поэтому у Пенроуза возникает вопрос:

Каким образом фотон, проходя через одну из щелей, “узнает” о том, открыта или закрыта другая щель?

На самом деле, в принципе не существует предела для расстояния, на которое могут быть разнесены щели, для того, чтобы произошло явление “гашения или усиления” .

А вот тут не так. В следующей статье рассмотрим это опыт с квантовой точки зрения.

Человеческое сознание влияет на квантовый мир?



Опыт Юнга (эксперимент на двух щелях) — эксперимент, проведенный Томасом Юнгом и ставший экспериментальным доказательством волновой теории света.

В опыте пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Ширина прорезей приблизительно равна длине волны излучаемого света. На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос. Интерференция света доказывает справедливость волновой теории.

Но рождение квантовой физики в начале 1900-х годов дало понимание, что свет сделан из крошечных, неделимых единиц или квантов энергии, которую мы называем фотонами. Эксперимент Юнга, демонстрировавший одиночные фотоны или даже отдельные частицы материи, такие как электроны и нейтроны, заставил человечество задуматься о природе самой реальности. Некоторые даже использовали этот эксперимент для утверждения тезиса, что на квантовый мир влияет человеческое сознание, давая умам пищу для размышления о нашем месте в онтологии Вселенной. Но действительно ли простой эксперимент может вызвать такие изменения в мировоззрении всех и каждого?

Сомнительное понятие измерения

В современной интерпретации опыта пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Он регистрирует попадание частиц, прошедших сквозь прорези. В случае фотонов это фотопластинка. По логике вещей, следовало бы ожидать, что фотоны должны пройти через одну щель или другую и накапливаться за ними.

Но это не так. Они идут в определенные части экрана, а другие просто избегают, создавая чередующиеся полосы света и темноты — так называемые интерференционные полосы. Они получаются, когда два набора волн перекрывают друг друга. Там, где волны окажутся в одной фазе, из амплитуды сложится и получится усиливающая интерференция — светлые полосы. Когда волны находятся в противофазе, возникает ослабляющая интерференция — темные полосы.

Но есть только один фотон, который пройдет через обе щели. Это похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам себя. Это не вписывается в классическую картинку.

С математической точки зрения, фотон, проходящий через обе щели, — это не физическая частица или физическая волна, а нечто, называемое волновой функцией — абстрактная математическая функция, которая представляет состояние фотона (в данном случае его положение). Волновая функция ведет себя как волна. Она попадает в обе щели и новые волны исходят из каждой, распространяясь и в конечном итоге сталкиваясь друг с другом. Комбинированную волновую функцию можно использовать для расчета вероятности того, где будет находиться фотон.


Джейкоб Биамонте, Сколтех, — о том, что квантовые компьютеры могут уже сейчас

Редукция фон Неймана (редукция или коллапс волновой функции) — мгновенное изменение описания квантового состояния (волновой функции) объекта, происходящее при измерении. Поскольку данный процесс существенно нелокален, а из мгновенности изменения следует распространение взаимодействий быстрее скорости света, то считается, что он является не физическим процессом, а математическим приемом описания.

Не существует того, что не наблюдает человек

Этот кажущийся странным коллапс волновой функции является источником многих трудностей в квантовой механике. Перед прохождением света нельзя сказать с уверенностью, где окажется отдельно взятый фотон. Он может появиться в любом месте с ненулевой вероятностью. Невозможно нарисовать траекторию фотона от источника до точки на экране. Траекторию фотона невозможно предугадать, это вам не самолет, летающий по одному и тому же маршруту из Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Вернер Гейзенберг, как и другие ученые, постулировал, что реальность с математической точки зрения не существует, пока отсутствует наблюдатель.


Вернер Карл Гейзенберг является автором ряда фундаментальных трудов в квантовой теории: он заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределенностей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим.

В дальнейшем активно участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга — Паули) и квантовой теории поля (теория S-матрицы), в последние десятилетия жизни предпринимал попытки создания единой теории поля. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантовомеханических теорий ядерных сил. Во время Второй мировой войны он был ведущим теоретиком немецкого ядерного проекта.

Джон Арчибальд Уилер ввел несколько терминов (квантовая пена, замедление нейтронов), включая два впоследствии широко распространившихся в науке и научной фантастике — черная дыра и кротовая нора.

Но эти эксперименты не являются эмпирическими доказательствами. В эксперименте с двумя щелями все, что можно сделать — это просчитать вероятность. Если вероятность проявляется у десятков тысяч идентичных фотонов при прохождении эксперимента, можно утверждать, что происходит коллапс волновой функции — благодаря сомнительному процессу, называемому измерением. Это все, что можно сделать.

Вне зависимости от человека

Кроме того, существуют другие способы интерпретации эксперимента Юнга. Например, теория де Бройля — Бома, которая утверждает, что реальность — это и волна, и частица. А фотон направляется к двойной щели с определенным начальным положением всегда и проходит через одну щель или другую. Поэтому каждый фотон имеет траекторию. Это называется распространением волны-пилота, которая проходит через обе щели, происходит интерференция, а затем волна-пилот направляет фотон в область усиливающей интерференции.


Бомовские траектории для электрона, прошедшего через две щели. Аналогичная картина была также экстраполирована из слабых измерений одиночных фотонов. Изображение: thequantumphysics


В дополнение к волновой функции на пространстве всех возможных конфигураций теория де Бройля — Бома постулирует реальную конфигурацию, которая существует, даже не будучи измеряемой. В ней волновая функция определяется для обеих щелей, но каждая частица имеет четко определенную траекторию, которая проходит точно через одну щель. Итоговое положение частицы на детекторном экране и щель, через которую она проходит, определяется начальным положением частицы. Такое исходное положение непознаваемо или неуправляемо со стороны экспериментатора, так что есть видимость случайности в закономерности детектирования.

В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из колледжа Бирбека смоделировали теоретические варианты траекторий частиц, проходящих через две щели. В последнее десятилетие экспериментаторы убедились, что существуют такие траектории, хотя и с использованием достаточно спорного метода, так называемого слабого измерения. Несмотря на противоречия, эксперименты показывают, что теория де Бройля — Бома объясняет поведение квантового мира.


Биркбек (Лондонский университет) — исследовательское и образовательное учреждение с вечерней формой обучения, специализирующееся в предоставлении высшего образования. Является составной частью Лондонского университета.

Существенным в этих измерениях является то, что теории не нужны наблюдатели, измерения или человеческое участие.

Так называемые теории коллапса утверждают, что коллапс волновых функций происходит случайным образом. Чем больше частиц в квантовой системе, тем вероятнее он. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта в Венском университете проверяла эти теории, отправляя все большие и большие частицы через щели. Теории коллапса гласят, что когда частицы материи становятся более массивными, чем определенный показатель, они не могут оставаться в квантовом поле, проходящем через обе щели одновременно, это разрушит интерференционную картину. Команда Арндта послала частицу с более чем 800 атомами через щели, и перераспределение интенсивности света все же произошло. Поиск критического значения продолжается.

У Роджера Пенроуза есть своя версия теории коллапса: чем выше масса объекта в квантовом поле, тем быстрее он перейдет из одного состояния в другое из-за гравитационной неустойчивости. Опять же, это теория, не требующая вмешательства человека. Сознание здесь ни при чем. Дирк Боумистер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре тестирует идею Пенроуза с помощью эксперимента Юнга.

По сути, идея состоит в том, чтобы не просто заставить фотон пройти через обе щели, но и поставить одну из прорезей в суперпозицию — в двух местах одновременно. По словам Пенроуза, смещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо приведет к коллапсу, пока проходит фотон, что приведет к разным типам интерференционных картин. Коллапс будет зависеть от размера щелей. Боумистер работает над этим экспериментом в течение целого десятилетия и вскоре сможет подтвердить или опровергнуть заявления Пенроуза.

Любой, кто изучает волновую оптику, рано или поздно непременно сталкивается с ссылками на опыт Юнга. В данном случае речь идет действительно об эпохальном открытии, кардинальным образом повлиявшем на дальнейшее развитие науки. Но обо все по порядку.

Луч света во тьме сомнений

Видимый нами свет – это то, что окружает каждого человека с самого рождения. Он прост и одновременно сложен. Нет ничего удивительного в том, что постоянно осуществлялись попытки объяснить, что же такое свет и каковы его свойства. Среди приверженцев различных моделей разгорались нешуточные дебаты, но никто не мог поставить точку в этом вопросе. Так происходило до тех пор, пока не был проведен опыт Юнга, блестяще подтвердивший волновую теорию света.

Ранее считалось, что свет представляет собой поток особых частиц – корпускулов. Чуть позже, в полном соответствии с открытиями физики, на смену корпускулам пришли фотоны. Фотон – это частица, обладающая нулевыми зарядом и массой, а также существующая лишь при скорости света. В то же время еще Ньютон провел интересный опыт по наблюдению свойств света: он расположил между собой и источником стеклянную пластину и вогнутую линзу. При этом он наблюдал не точечный источник, а кольца (впоследствии названные его именем). Так как в то время опыт Юнга еще не был поставлен, Ньютон не мог объяснить наблюдаемое с точки зрения теории света, состоящего из частиц.

Эксперимент с двойной щелью

Наконец в 1803 году Т. Юнг решил окончательно подтвердить или опровергнуть корпускулярную гипотезу. Он подготовил и выполнил простейший эксперимент, который заставил ученых по-новому взглянуть на знакомые вещи. Опыт Юнга показал, что свет представляет собой электромагнитную волну с определенными характеристиками.

Как теперь известно, корпускулярная гипотеза пала, а ее место заняла волновая точка зрения. На экране наблюдались полосы с различной интенсивностью свечения. Самая яркая – посередине, затем тусклые и т.д. Снижение свечения объясняется противофазой вторичных интерферирующих волн.

Однако уже в наше время, после проведения серии уточняющих экспериментов, в теорию были внесены поправки. В соответствии с ними принято считать, что свет обладает дуальной природой, проявляясь и как волна, и как частица. Результаты опытов зависят от их постановки. Новейшая квантовая теория строения мироздания это легко объясняет: результаты наблюдений получаются именно такими, какими их хочет видеть экспериментатор. Двойственность присуща не только свету, но и такой, казалось бы, изученной частице, как электрон.


Немного предыстории



Томас Юнг

Итак, для проведения опыта было необходимо всего три вещи: свет, пластина с двумя вертикальными прорезями и проекционный экран. При этом световое излучение было монохроматическим, то есть обладало минимальным частотным разбросом. Свет направляется на пластину со щелями, ширина которых должна быть максимально приближена к длине волны излучения. А проекционный экран необходим для наблюдения за результатом.

И тут возникает столкновение двух теорий света — корпускулярной и волновой.

Первая предполагает, что свет состоит из частиц. А вторая — что это волна. Опираясь на каждую из этих теорий мы должны получить разный результат в опыте Юнга.

А теперь подключим немного фантазии. Представьте, что вы играете в страйкбол с нашей опытной ширмой с прорезями (да, противник из нее не очень, но суть не в этом). Вы стреляете из ружья шариками, часть которых отскакивает от ширмы, а часть проходит через прорези и попадает в проекционный экран. Ружье — источник светового излучения. Шарики — частицы света. Таким образом на экране мы видим две полоски, то есть две области попадания из ружья.



Схематическое изображение опыта Юнга.

Во-первых, источники света (в опыте их два) должны быть когерентными, то есть согласованными. Создать два согласованных световых излучения проблематично, мягко говоря. Посему используется один луч света, который разделяется на два за счет той самой ширмы с прорезями. Так мы имитируем когерентность за счет вторичных волн первичного светового излучения.

Во-вторых, важную роль играет ширина прорезей, так как при ее увеличении будет расти освещенность экрана, то есть сложнее будет различить максимумы и минимумы интерференционной картины. Посему ширина должна быть максимально приближена к длине волны излучения.

И в-третьих, расстояние между прорезями влияет на частоту следования интерференционных полос.

В итоге Томас Юнг не только предоставил доказательства интерференции света, но и породил еще больше споров между сторонниками двух теорий, корпускулярной и волновой.

На самом же деле опыт Юнга никого особо не ссорил (я надеюсь, ибо ученые тоже могут быть драчунами), а скорее подтолкнул к еще более глубокому изучению света, его особенностей и способов его пояснения.

С ростом интереса к квантовой физике опыт Юнга получил еще одну теорию в свою копилку — квантовую. И тут нам фантазия не сильно поможет, поскольку крайне сложно представить себе шарик для страйкбола, способный одновременно быть и частицей, и волной, и разделяться, и соединяться, и черт знает что еще делать. Суть такова — ученые решили провести эксперимент Юнга с электроном, использовав его вместо света.

По логике, одиночные электроны, попавшие в прорези, должны сформировать на экране две области попадания, то есть как в корпускулярной теории. Однако мы знаем, что квантовая теория и классическая логика частенько расходятся. Результатом опыта с электронами было множество областей попадания, то есть как в волновой теории. Другими словами, электрон является и частицей, и волной (волна де Бройля, если точнее) одновременно. Таким образом электрон находится в состоянии квантовой суперпозиции, то есть обладает сразу несколькими состояниями, которые невозможно реализовать одновременно с точки зрения классической физики. Да уж, порой кажется, что классическая и квантовая физики это Людвиг ван Бетховен и Оззи Осборн — оба крутые, но во многом очень разные.

Томас Юнг видимо и представить не мог как далеко зайдет его опыт, и как много нового он может рассказать. А сейчас мы рассмотрим уже деяния наших современников, решивших применить опыт Томаса Юнга для реализации нового типа рентгеновской спектроскопии.

Основа исследования

Исследователи же фокусируются на изучении рентгеновских волн, распространяющихся через вышеупомянутое локализованное промежуточное состояние, а после образующих интерференцию.



Изображение №1

И вот уже в 1994 году было предположено проявление интерференции для RIXS в двухатомных молекулах, что соответствует опыту Юнга. Это возможно за счет того, что промежуточное состояние RIXS содержит единственную вакансию ядра, которая может быть на любом из двух атомов в молекуле (изображение №1). В конечном состоянии электрон находится на возбужденной молекулярной орбитали, которая делокализована по двум атомам. Рентгеновское же излучение создает интерференцию в виде синусоидального интерференционного колебания на графике.

В качестве основного подопытного был выбран Ba3CeIr2O9 (BCIO) — изолятор, который является кристаллическим твердым телом с квазимолекулярной электронной структурой (2А). Такие характеристики позволяют значительно четче рассмотреть интерференцию, являющуюся ярким признаком симметрии низкоэнергетических электронных возбуждений.

Результаты исследований

Итак, для начала ученые вырастили индивидуальные кристаллы BCIO. Каждый из Ir 4+ ионов внутри структурных димеров показал 5d 5 конфигурацию с одной вакансией в t2g оболочке.



Изображение №2

Ученые отмечают, что минимальное расстояние между соседствующими ионами (Ir-Ir) составило 2.5 Å. Соответственно, внутридимерное ионное взаимодействие достаточно сильно и способствует формированию квази-молекулярных орбиталей с сильным связывающим-антисвязывающим расщеплением. Такая ситуация очень сильно отличается от той, когда имеется один Ir 4+ , когда сильная спин-орбитальная связь (λ ≈ 0.4-0.5 эВ) разделяет локальное t2g-многообразие и приводит к спин-орбитальным-запутанным j = 1/2 моментам (2В).

В случае сильного спин-орбитального взаимодействия связывающие/антисвязывающие состояния могут формироваться из спин-орбитального-запутанного j = 1/2 состояния (2D). Однако сильное Ir-Ir взаимодействие может погасить j = 1/2 моменты. В таком случае t2g орбитали становятся куда более подходящей основой для формирования связывающих/антисвязывающих состояний (2С).



Изображение №3

На изображении 3А мы можем увидеть результаты RIXS образца Ba3CeIr2O9 при фиксированном излучении, настроенном на L3 край Ir (2p→5d), что резонансно усиливает неупругое рассеяние от возбуждений внутри t2g. 5d t2g — e δ g расщепление выше 3 эВ, при этом наблюдаемые функции (a, B и ℽ на графике) находятся в диапазоне 0.5 … 1.5 эВ. Таким образом их можно отнести к внутре-t2g возбуждениям. Также стоит отметить, что на графике нет характерных для индивидуальных j = 1/2 моментов особенностей, а пик спин-орбитального возбуждения достигает максимума в 1.5 λ.

Исследователи отмечают еще одно важное наблюдение: интегральная интенсивность функций демонстрирует ярко выраженные особенности интерференции двух лучей, другими словами четкое синусоидальное колебание как функции qc (3B). Таким образом мы получили опыт Юнга, только в данном случае вместо расстояния между прорезями мы имеем расстояние между ионами (Ir-Ir).

Данное исследование — одно из самых сложных из тех, что я встречал, посему настоятельно рекомендую ознакомиться с докладом ученых и дополнительными материалами к нему, если вас интересуют детали, нюансы и подробности сего труда.

Ученые считают, что самой важной особенностью RIXS интерферометрии является возможность определять симметрию низкоэнергетических возбуждений, что помогает отличить два разных варианта орбиталей, описанных на изображениях 2С и 2D.

Конечно, на этом исследование нового метода рентгеновской спектроскопии не завершится, ведь ученые только слегка описали вершину айсберга. Дальнейшие эксперименты с другими типами материалов могут открыть новые пути реализации сей техники. В любом случае совершенствование новейших методик исследования физических свойств даже уже изученных (якобы) объектов это дело благое.

К тому же, данное исследование стало наглядным примером того, что открытия и наблюдения, совершенные несколько веков назад еще способны не только удивлять, но и быть невероятно полезными для создания новых технологий, методик и т.д.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими, несмотря на сложность заинтересовавшего вас материала :), и отличной всем рабочей недели, ребята.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Читайте также: