У сучасній фізиці експеримент із подвійною щілиною є демонстрацією того, що світло та матерія можуть демонструвати характеристики як класично визначених хвиль, так і частинок; ба більше, він демонструє фундаментально ймовірнісний характер квантово-механічних явищ. Цей тип експерименту вперше був проведений Томасом Юнгом у 1801 році як демонстрація хвильової поведінки видимого світла. У той час вважалося, що світло складається або з хвиль, або з частинок. З початком сучасної фізики, приблизно через сто років, було зрозуміло, що світло насправді може демонструвати поведінку, характерну як для хвиль, так і для частинок. У 1927 році Девіссон і Джермер продемонстрували, що електрони демонструють однакову поведінку, яку пізніше поширили на атоми та молекули«Physicists Smash Record For Wave–Particle Duality». Експеримент Томаса Юнга зі світлом був частиною класичної фізики задовго до розвитку квантової механіки та концепції дуалізму хвиля — частка. Він вважав, що це демонструє правильну хвильову теорію світла, і його експеримент іноді називають експериментом ЮнгаWhile there is no doubt that Young's demonstration of optical interference, using sunlight, pinholes and cards, played a vital part in the acceptance of the wave theory of light, there is some question as to whether he ever actually performed a double-slit interference experiment. або щілинами Юнга.
Експеримент належить до загального класу експериментів із «подвійним шляхом», у яких хвиля розбивається на дві окремі хвилі (хвиля зазвичай складається з багатьох фотонів і її краще називати фронтом хвилі, не плутати з властивостями хвилі окремого фотона), які пізніше об'єднуються в одну хвилю. Зміни в довжинах шляху обох хвиль призводять до фазового зсуву, створюючи інтерференційну картину. Іншою версією є інтерферометр Маха — Цендера, який розділяє промінь за допомогою дільника променя.
У базовій версії цього експерименту джерело когерентного світла, наприклад лазерний промінь, освітлює пластину, пронизану двома паралельними щілинами, і світло, що проходить через щілини, спостерігається на екрані за пластиною. Хвильова природа світла призводить до того, що світлові хвилі, що проходять через дві щілини, взаємодіють, утворюючи яскраві та темні смуги на екрані — результат, який не очікувався б, якби світло складалося з класичних частинокFeynman, 1965, p. 1.5. Однак світло завжди поглинається на екрані в окремих точках у вигляді окремих частинок (не хвиль); інтерференційна картина з'являється через різну щільність попадання цих частинок на екран. Крім того, версії експерименту, які включають детектори на щілинах, показують, що кожен виявлений фотон проходить через одну щілину (як класична частинка), а не через обидві щілини (як хвиля)Feynman, 1965, p. 1.7«…if in a double-slit experiment, the detectors which register outcoming photons are placed immediately behind the diaphragm with two slits: A photon is registered in one detector, not in both…» «It seems that light passes through one slit or the other in the form of photons if we set up an experiment to detect which slit the photon passes, but passes through both slits in the form of a wave if we perform an interference experiment.» . Однак такі експерименти демонструють, що частинки не утворюють інтерференційної картини, якщо визначити, через яку щілину вони проходять. Ці результати демонструють принцип дуалізму хвиля — часткаFeynman, The Feynman Lectures on Physics, 3:Quantum Mechanics p.1-1 «There is one lucky break, however— electrons behave just like light.».See: Davisson–Germer experiment .
Виявлено, що інші об'єкти атомного масштабу, такі як електрони, демонструють таку саму поведінку, коли їх направляють у бік подвійної щілини. Крім того, виявлення окремих дискретних впливів є за своєю суттю імовірнісним, що неможливо пояснити за допомогою класичної механіки.
Експеримент можна проводити з істотами, набагато більшими за електрони та фотони, хоча це стає складніше зі збільшенням розміру. Найбільшими об'єктами, для яких був проведений експеримент із подвійною щілиною, були молекули, кожна з яких складалася з 2000 атомів (загальна маса яких становила 25 000 атомних одиниць маси).
Експеримент із подвійною щілиною (і його варіації) став класичним завдяки своїй чіткості у вираженні головних загадок квантової механіки. Оскільки це демонструє фундаментальне обмеження здатності спостерігача передбачати експериментальні результати, Річард Фейнман назвав це «явище, яке неможливо […] пояснити будь-яким класичним способом, і яке містить у собі суть квантової механіки. Насправді це містить єдину таємницю [квантової механіки]».
Огляд
Якби світло складалося виключно зі звичайних або класичних частинок, і ці частинки були випущені по прямій лінії через щілину та дозволили їм вдарити по екрану з іншого боку, ми очікували б побачити малюнок, який відповідає розміру та формі щілини. Однак, коли цей «експеримент з однією щілиною» фактично виконується, візерунок на екрані є дифракційним малюнком, у якому світло розсіюється. Чим менше щілина, тим більше кут розкиду. Верхня частина зображення показує центральну частину візерунка, який утворюється, коли червоний лазер висвітлює щілину, і, якщо дивитися уважно, дві слабкі бічні смуги. Більше смуг можна побачити за допомогою більш вдосконаленого апарату. Дифракція пояснює візерунок як результат інтерференції світлових хвиль від щілини.
Якщо висвітлити дві паралельні щілини, світло з двох щілин знову інтерферує. Тут інтерференція являє собою більш виражену картину з серією чергування світлих і темних смуг. Ширина смуг є властивістю частоти освітлюючого світлаCharles Sanders Peirce first proposed the use of this effect as an artifact-independent reference standard for length. (Дивіться нижню фотографію праворуч.) Коли Томас Юнг (1773—1829) вперше продемонстрував це явище, він вказав, що світло складається з хвиль, оскільки розподіл яскравості можна пояснити по черзі адитивною та субтрактивною інтерференцією хвильових фронтів. Експеримент Янга, проведений на початку 1800-х років, зіграв вирішальну роль у розумінні хвильової теорії світла, перемігши корпускулярну теорію світла, запропоновану Ісааком Ньютоном, яка була прийнятою моделлю поширення світла у XVII і XVIII століттях. Однак пізніше відкриття фотоефекту показало, що за різних обставин світло може поводитися так, ніби воно складається з окремих частинок. Ці, здавалося б, суперечливі відкриття змусили вийти за рамки класичної фізики та взяти до уваги квантову природу світла.
Фейнман любив казати, що всю квантову механіку можна отримати, ретельно обмірковуючи наслідки цього єдиного експерименту. Він також запропонував (як уявний експеримент), що якщо детектори розташувати перед кожною щілиною, інтерференційна картина зникнеFeynman, 1965, chapter 3.
Співвідношення подвійності Енглерта — Грінбергера забезпечує детальний розгляд математики подвійної щілинної інтерференції в контексті квантової механіки.
Експеримент із подвійною щілиною низької інтенсивності вперше був проведений Г. І. Тейлором у 1909 році шляхом зменшення рівня падаючого світла до тих пір, поки події випромінювання/поглинання фотонів не перекривалися. Експеримент із подвійною щілиною не проводився ні з чим іншим, крім світла, до 1961 року, коли Клаус Йонссон з Тюбінгенського університету виконав його з електронними променями. У 1974 році італійські фізики П'єр Джорджіо Мерлі, Джан Франко Міссіролі та Джуліо Поцці повторили експеримент, використовуючи одиночні електрони та біпризму (замість щілин), показавши, що кожен електрон взаємодіє сам із собою, як передбачала квантова теорія. У 2002 році читачі Physics World визнали одноелектронну версію експерименту «найкрасивішим експериментом».
У 2012 році Стефано Фраббоні та його колеги зрештою провели експеримент із подвійною щілиною з електронами та справжніми щілинами, дотримуючись оригінальної схеми, запропонованої Фейнманом. Вони направили поодинокі електрони в нанофабриковані щілини (близько 100 нм шириною) і, збираючи пропущені електрони за допомогою одноелектронного детектора, вони могли показати накопичення подвійної щілинної інтерференційної картини.
У 2018 році в Позитронній лабораторії (L-NESS, Politecnico di Milano) Рафаеля Феррагута в Комо (Італія) група під керівництвом Марко Джаммаркі вперше продемонструвала інтерференцію однієї частинки для антиматерії.
Варіанти експерименту
Інтерференція окремих частинок
Важлива версія цього експерименту включає окремі частинки. Посилання частинок через апарат із подвійною щілиною по черзі призводить до того, що на екрані з'являються окремі частинки, як і очікувалося. Примітно, однак, що інтерференційна картина виникає, коли цим частинкам дозволяють накопичуватися одна за одною (див. зображення поруч). Це демонструє подвійність хвиля-частинка, яка стверджує, що вся матерія демонструє властивості як хвилі, так і частинки: частинка вимірюється як один імпульс в одній позиції, тоді як хвиля описує ймовірність поглинання частинки в певному місці на екрані. Доведено, що це явище відбувається з фотонами, електронами, атомами і навіть деякими молекулами. Успіх був досягнутий з бакмінстерфуллереном () у 2001 році з 2 молекулами по 430 атомів ( та ) у 2011 р. та з молекулами до 2000 атомів у 2019 р.
Імовірність виявлення дорівнює квадрату амплітуди хвилі та може бути обчислена за допомогою класичних хвиль (див. нижче). З моменту виникнення квантової механіки деякі теоретики шукали способи включити додаткові детермінанти або «приховані змінні», які, якби вони стали відомими, пояснювали б місце кожного окремого зіткнення з ціллю.
Інтерферометр Маха-Цандера
Інтерферометр Маха— Цендера можна розглядати як спрощену версію експерименту з подвійною щілиною. Замість того щоб поширюватися через вільний простір після двох щілин і потрапляти в будь-яку позицію на розширеному екрані, в інтерферометрі фотони можуть поширюватися лише двома шляхами та потрапляти на два дискретні фотодетектори. Це дає змогу описати його за допомогою простої лінійної алгебри у розмірності 2, а не диференціальних рівнянь.
Експерименти «в який бік» і принцип комплементарності Відомий уявний експеримент передбачає, що якщо детектори частинок розташувати в щілинах, показуючи, через яку щілину проходить фотон, інтерференційна картина зникне. Цей експеримент ілюструє принцип комплементарності, згідно з яким фотони можуть поводитися як частинки або хвилі, але не можуть спостерігатися як обидва одночасно. Незважаючи на важливість цього уявного експерименту в історії квантової механіки (наприклад, див. обговорення версії цього експерименту Ейнштейна), технічно здійснимі реалізації цього експерименту не було запропоновано до 1970-х років. (Наївні реалізації уявного експерименту підручника неможливі, оскільки фотони не можуть бути виявлені без поглинання фотона.) В даний час було проведено кілька експериментів, що ілюструють різні аспекти комплементарності.
Відкладений вибір і варіації квантової гумки
Експерименти Вілера з відкладеним вибором демонструють, що отримання інформації про те, який шлях відбувається після того, як частинка проходить через щілини, може заднім числом змінити її попередню поведінку в щілинах.
Експерименти з квантовою гумкою демонструють, що поведінку хвилі можна відновити, стираючи або іншим чином роблячи назавжди недоступною інформацію «який шлях».
Слабке вимірювання