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Spiegazione scientifica per l'esperienza della doppia fenditura di Jung. L'esperimento della doppia fenditura: la coscienza crea la realtà? Meccanica quantistica e coscienza

Un gruppo di sperimentatori guidati da famoso fisico Robert Boyd (che, in particolare, fu il primo a "rallentare la luce" a temperatura ambiente), inventò e realizzò uno schema che dimostra il contributo delle traiettorie cosiddette "non classiche" al quadro ottenuto quando i fotoni interferiscono con tre fessure.

L'interferenza a due fenditure è un classico esperimento che dimostra le proprietà ondulatorie della luce. Fu implementato per la prima volta all'inizio del XIX secolo da Thomas Jung e divenne una delle ragioni principali del rifiuto dell'allora dominante teoria corpuscolare della luce.

All'inizio del XX secolo, tuttavia, si scoprì che la luce è ancora costituita da particelle chiamate fotoni, ma queste particelle possiedono misteriosamente anche proprietà ondulatorie. Sorse il concetto di dualità onda-particella, che fu esteso anche alle particelle di materia. In particolare, la presenza di proprietà ondulatorie è stata riscontrata negli elettroni, e successivamente negli atomi e nelle molecole.

In un nuovo ramo della fisica che è sorto come risultato - la meccanica quantistica - l'apparizione di uno schema interferometrico in un esperimento con due fenditure gioca uno dei ruoli centrali. Così, Richard Feynman nelle sue "Feynman Lectures on Physics" scrive che questo fenomeno "è impossibile, assolutamente, assolutamente impossibile da spiegare in modo classico. Questo fenomeno nasconde l'essenza stessa della meccanica quantistica".

L'esperimento della doppia fenditura dimostra uno dei concetti centrali fisica quantistica- sovrapposizione quantistica. Il principio della sovrapposizione quantistica afferma che se un certo oggetto quantistico (ad esempio un fotone o un elettrone) può trovarsi in un certo stato 1 e in un certo stato 2, allora può anche trovarsi in uno stato che è, in un certo senso , parzialmente sia stato 1 che stato 2 , questo stato è chiamato sovrapposizione degli stati 1 e 2. Nel caso delle fenditure, una particella può passare attraverso una fenditura, o forse attraverso un'altra, ma se entrambe le fenditure sono aperte, allora la particella passa attraverso entrambi e risulta essere in uno stato di sovrapposizione di una particella che ha attraversato la fessura 1 "E" particelle che passano attraverso la fessura 2".

Inoltre, prendere in considerazione le traiettorie non classiche è importante per un'altra direzione nella fisica fondamentale moderna. Uno dei principali problemi irrisolti che gli scienziati devono affrontare è l'unificazione della teoria quantistica con la teoria della gravità. Ci sono difficoltà fondamentali lungo questo percorso, che, come molti credono, possono essere superate solo modificando una di queste teorie, o entrambe contemporaneamente. Pertanto, ora c'è una ricerca di possibili discrepanze tra la realtà e le previsioni di queste teorie. Una delle direzioni è la ricerca di deviazioni dal principio della sovrapposizione quantistica. Ad esempio, nel 2010 è stato pubblicato uno studio in cui hanno cercato di trovare tali deviazioni in un esperimento a tre fenditure. Non sono state riscontrate discrepanze, ma questo articolo ha provocato il suddetto lavoro del 2012. Una delle sue conclusioni è stata precisamente che nell'esperimento del 2010 è stato utilizzato un fraintendimento del principio di sovrapposizione quantistica, e questo ha portato la sua quota di errori di misurazione non spiegati. E sebbene l'entità di questo errore sia piccola, l'effetto che gli scienziati stanno cercando potrebbe anche essere piccolo, quindi, in tali ricerche, il contributo delle traiettorie non classiche dovrebbe ancora essere preso in considerazione.

L'articolo è stato scritto per un progetto

Nessuno al mondo capisce la meccanica quantistica: questa è la cosa principale che devi sapere al riguardo. Sì, molti fisici hanno imparato a usare le sue leggi e persino a prevedere i fenomeni usando calcoli quantistici. Ma non è ancora chiaro perché la presenza di un osservatore determini il destino del sistema e lo costringa a fare una scelta a favore di uno Stato. "Teorie e pratiche" ha selezionato esempi di esperimenti, il cui esito è inevitabilmente influenzato dall'osservatore, e ha cercato di capire cosa farà la meccanica quantistica con tale interferenza della coscienza nella realtà materiale.

Il gatto di Shroedinger

Oggi ci sono molte interpretazioni della meccanica quantistica, la più popolare delle quali rimane Copenaghen. Le sue disposizioni principali furono formulate negli anni '20 da Niels Bohr e Werner Heisenberg. E il termine centrale dell'interpretazione di Copenaghen è diventato la funzione d'onda, una funzione matematica che contiene informazioni su tutti i possibili stati di un sistema quantistico in cui risiede simultaneamente.

Secondo l'interpretazione di Copenaghen, lo stato del sistema può essere determinato con certezza e solo l'osservazione può distinguerlo dal resto (la funzione d'onda aiuta solo a calcolare matematicamente la probabilità di rilevare un sistema in uno stato o nell'altro). Possiamo dire che dopo l'osservazione, il sistema quantistico diventa classico: cessa istantaneamente di coesistere in molti stati contemporaneamente a favore di uno di essi.

Questo approccio ha sempre avuto avversari (ricordate almeno "Dio non gioca a dadi" di Albert Einstein), ma l'accuratezza dei calcoli e delle previsioni ha avuto il suo peso. Tuttavia, negli ultimi anni, i sostenitori dell'interpretazione di Copenaghen sono diventati sempre meno, e non l'ultima ragione di ciò è lo stesso misterioso crollo istantaneo della funzione d'onda durante la misurazione. Il famoso esperimento mentale di Erwin Schrödinger con un povero gatto aveva solo lo scopo di mostrare l'assurdità di questo fenomeno.

Quindi, ricordiamo il contenuto dell'esperimento. Un gatto vivo, un'ampolla di veleno e qualche meccanismo che può mettere in azione il veleno in un momento casuale viene posto in una scatola nera. Ad esempio, un atomo radioattivo, il cui decadimento romperà un'ampolla. L'ora esatta del decadimento dell'atomo è sconosciuta. Si conosce solo l'emivita: il tempo durante il quale si verificherà il decadimento con una probabilità del 50%.

Si scopre che per un osservatore esterno, il gatto all'interno della scatola esiste in due stati contemporaneamente: o è vivo, se tutto sta andando bene, o morto, se si è verificato il decadimento e l'ampolla si è rotta. Entrambi questi stati sono descritti dalla funzione d'onda del gatto, che cambia nel tempo: più è lontano, più è probabile che il decadimento radioattivo sia già avvenuto. Ma non appena la scatola si apre, la funzione d'onda crolla e vediamo immediatamente l'esito dell'esperimento Knacker.

Si scopre che fino a quando l'osservatore non apre la scatola, il gatto rimarrà per sempre in equilibrio sul confine tra la vita e la morte, e solo l'azione dell'osservatore determinerà il suo destino. Ecco l'assurdità sottolineata da Schrödinger.

Diffrazione elettronica

Secondo un'indagine tra i principali fisici condotta dal New York Times, l'esperimento con la diffrazione elettronica, messo in scena nel 1961 da Klaus Jenson, è diventato uno dei più belli della storia della scienza. Qual è la sua essenza?

C'è una sorgente che emette un flusso di elettroni verso lo schermo-lastra fotografica. E c'è un ostacolo sulla via di questi elettroni: una lastra di rame con due fessure. Che tipo di immagine sullo schermo puoi aspettarti se pensi agli elettroni come a piccole sfere cariche? Due strisce sovraesposte opposte agli spacchi.

In realtà, sullo schermo appare uno schema molto più complesso di strisce bianche e nere alternate. Il fatto è che quando gli elettroni passano attraverso le fenditure, iniziano a comportarsi non come particelle, ma come onde (proprio come i fotoni, le particelle di luce, possono essere onde simultaneamente). Quindi queste onde interagiscono nello spazio, indebolendo da qualche parte e rafforzandosi a vicenda da qualche parte e, di conseguenza, sullo schermo appare un'immagine complessa di strisce chiare e scure alternate.

In questo caso, il risultato dell'esperimento non cambia e se gli elettroni vengono inviati attraverso la fenditura non in un flusso continuo, ma uno per uno, anche una particella può essere un'onda allo stesso tempo. Anche un elettrone può passare simultaneamente attraverso due fenditure (e questa è un'altra delle importanti disposizioni dell'interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica: gli oggetti possono esibire simultaneamente sia le loro proprietà materiali "solite" sia le proprietà delle onde esotiche).

Ma cosa c'entra l'osservatore? Nonostante il fatto che con lui la storia già complicata sia diventata ancora più complicata. Quando in tali esperimenti i fisici hanno cercato di riparare con l'aiuto di dispositivi attraverso i quali passa effettivamente l'elettrone, l'immagine sullo schermo è cambiata radicalmente ed è diventata "classica": due aree illuminate di fronte alle fenditure e nessuna striscia alternata.

Era come se gli elettroni non volessero mostrare la loro natura ondulatoria sotto l'occhio vigile di un osservatore. Ci siamo adattati al suo desiderio istintivo di vedere un'immagine semplice e comprensibile. Mistico? C'è una spiegazione molto più semplice: nessuna osservazione del sistema può essere effettuata senza un impatto fisico su di esso. Ma su questo torneremo un po' più tardi.

Fullerene riscaldato

Gli esperimenti sulla diffrazione delle particelle sono stati eseguiti non solo sugli elettroni, ma anche su oggetti molto più grandi. Ad esempio, i fullereni - grandi molecole chiuse composte da decine di atomi di carbonio (ad esempio, un fullerene di sessanta atomi di carbonio ha una forma molto simile a un pallone da calcio: una sfera cava cucita da pentagoni ed esagoni).

Recentemente, un gruppo dell'Università di Vienna, guidato dal professor Zeilinger, ha cercato di introdurre un elemento di osservazione in tali esperimenti. Per fare questo, hanno irradiato molecole di fullerene in movimento con un raggio laser. Quindi, riscaldate da un'influenza esterna, le molecole hanno iniziato a brillare e hanno così inevitabilmente trovato il loro posto nello spazio per l'osservatore.

Insieme a questa innovazione, è cambiato anche il comportamento delle molecole. Prima dell'inizio del tracciamento totale, i fullereni hanno evitato con successo gli ostacoli (hanno mostrato proprietà d'onda) come gli elettroni dell'esempio precedente che passavano attraverso uno schermo opaco. Ma in seguito, con l'apparizione di un osservatore, i fullereni si calmarono e iniziarono a comportarsi come particelle di materia completamente rispettose della legge.

Dimensione di raffreddamento

Una delle leggi più famose del mondo quantistico è il principio di indeterminazione di Heisenberg: è impossibile stabilire contemporaneamente la posizione e la velocità di un oggetto quantistico. Più accuratamente misuriamo la quantità di moto di una particella, meno accuratamente può essere misurata la sua posizione. Ma le leggi quantistiche che operano a livello di minuscole particelle sono solitamente invisibili nel nostro mondo di grandi macro oggetti.

Pertanto, i più preziosi sono i recenti esperimenti del gruppo del professor Schwab dagli USA, in cui gli effetti quantistici sono stati dimostrati non a livello degli stessi elettroni o molecole di fullerene (il loro diametro caratteristico è di circa 1 nm), ma su una oggetto più tangibile: una minuscola striscia di alluminio.

Questa striscia era fissata su entrambi i lati in modo che il suo centro fosse sospeso e potesse vibrare sotto l'influenza esterna. Inoltre, accanto alla striscia era presente un dispositivo in grado di registrarne la posizione con elevata precisione.

Di conseguenza, gli sperimentatori hanno scoperto due effetti interessanti. Innanzitutto, qualsiasi misurazione della posizione dell'oggetto, l'osservazione della striscia non è passata senza lasciare traccia per essa - dopo ogni misurazione, la posizione della striscia è cambiata. In parole povere, gli sperimentatori hanno determinato le coordinate della striscia con grande precisione e quindi, secondo il principio di Heisenberg, hanno cambiato la sua velocità e quindi la posizione successiva.

In secondo luogo, il che è abbastanza inaspettato, alcune misurazioni hanno portato anche al raffreddamento della striscia. Si scopre che l'osservatore può cambiare le caratteristiche fisiche degli oggetti solo con la sua presenza. Sembra incredibile, ma a merito dei fisici, diciamo che non erano persi - ora il gruppo del professor Schwab sta pensando a come applicare l'effetto scoperto al raffreddamento dei microcircuiti elettronici.

Particelle sbiadite

Come sai, le particelle radioattive instabili decadono nel mondo non solo per motivi di esperimenti sui gatti, ma anche da sole. Inoltre, ogni particella è caratterizzata da una vita media che, si scopre, può aumentare sotto l'occhio vigile di un osservatore.

Questo effetto quantistico è stato previsto per la prima volta negli anni '60 ed è brillante conferma sperimentale apparso in un articolo pubblicato nel 2006 dal gruppo del premio Nobel per la fisica Wolfgang Ketterle del Massachusetts Institute of Technology.

In questo lavoro è stato studiato il decadimento di atomi di rubidio eccitati instabili (decadimento in atomi di rubidio allo stato fondamentale e fotoni). Immediatamente dopo la preparazione del sistema, si iniziò a osservare l'eccitazione degli atomi - a risplendere attraverso di loro con un raggio laser. In questo caso l'osservazione è stata effettuata in due modalità: continua (piccoli impulsi luminosi vengono costantemente immessi nel sistema) e pulsata (il sistema viene di volta in volta irradiato con impulsi più potenti).

I risultati ottenuti sono in ottimo accordo con le previsioni teoriche. Le influenze della luce esterna rallentano davvero il decadimento delle particelle, come se le riportassero al loro stato originale, lontano dal decadimento. Anche in questo caso l'entità dell'effetto per i due regimi indagati coincide con le previsioni. E la vita massima degli atomi di rubidio eccitati instabili è stata estesa 30 volte.

Meccanica quantistica e coscienza

Elettroni e fullereni cessano di mostrare le loro proprietà ondulatorie, le piastre di alluminio si raffreddano e le particelle instabili si congelano nel loro decadimento: sotto lo sguardo onnipotente di un osservatore, il mondo sta cambiando. Cosa non è la prova del coinvolgimento della nostra mente nel lavoro del mondo intorno? Quindi forse Karl Jung e Wolfgang Pauli avevano ragione (fisico austriaco, laureato premio Nobel, uno dei pionieri della meccanica quantistica) quando dicevano che le leggi della fisica e della coscienza dovrebbero essere considerate complementari?

Ma quindi c'è solo un passo verso il riconoscimento del dovere: tutto il mondo intorno è l'essenza della nostra mente. Strisciante? ("Pensi davvero che la luna esista solo quando la guardi?" - Einstein commentava i principi della meccanica quantistica). Allora proviamo ancora a rivolgerci ai fisici. Inoltre, in l'anno scorso sono sempre meno affezionati all'interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica con il suo misterioso crollo dell'onda di una funzione, che viene sostituita da un altro termine, completamente banale e affidabile: la decoerenza.

Il punto è questo: in tutti gli esperimenti descritti con l'osservazione, gli sperimentatori hanno inevitabilmente influenzato il sistema. È stato illuminato con un laser, sono stati installati strumenti di misurazione. E questo è un principio generale, molto importante: non si può osservare un sistema, misurarne le proprietà senza interagire con esso. E dove c'è interazione, c'è un cambiamento nelle proprietà. Soprattutto quando il colosso di oggetti quantistici interagisce con un minuscolo sistema quantistico. Quindi l'eterna neutralità buddista dell'osservatore è impossibile.

Questo è esattamente ciò che spiega il termine "decoerenza": un irreversibile dal punto di vista del processo di violazione delle proprietà quantistiche di un sistema quando interagisce con un altro sistema di grandi dimensioni. Durante tale interazione, il sistema quantistico perde le sue caratteristiche originali e diventa classico, "obbedendo" a un grande sistema. Questo spiega il paradosso con il gatto di Schrödinger: il gatto è un sistema così grande che semplicemente non può essere isolato dal mondo. L'affermazione stessa dell'esperimento mentale non è del tutto corretta.

In ogni caso, rispetto alla realtà come atto di creazione della coscienza, la decoerenza suona molto più rilassata. Anche, forse, troppo calmo. Infatti, con questo approccio, l'intero mondo classico diventa un grande effetto di decoerenza. E come affermano gli autori di uno dei libri più seri in questo campo, tali approcci portano logicamente anche ad affermazioni come "non ci sono particelle nel mondo" o "non c'è tempo a un livello fondamentale".

Osservatore creativo o decoerenza onnipotente? Devi scegliere tra due mali. Ma ricorda: ora gli scienziati sono sempre più convinti che i famigerati effetti quantistici siano al centro dei nostri processi mentali. Quindi, dove finisce l'osservazione e inizia la realtà, ognuno di noi deve scegliere.

un oggetto quantistico (come un elettrone) può trovarsi in più di un luogo contemporaneamente. Può essere misurata come un'onda diffusa nello spazio e può essere localizzata in diversi punti lungo l'intera onda. Questa è chiamata la proprietà dell'onda.
un oggetto quantistico cessa di esistere qui e vi appare spontaneamente senza muoversi nello spazio. Questo è noto come transizione quantistica. È essenzialmente un teletrasporto.
la manifestazione di un oggetto quantistico, causata dalle nostre osservazioni, colpisce spontaneamente l'oggetto gemello associato, indipendentemente da quanto sia lontano. Elimina un elettrone e un protone dall'atomo. Qualunque cosa accada all'elettrone, lo stesso accadrà al protone. Questa è chiamata "azione quantistica a distanza".
un oggetto quantistico non può manifestarsi nello spazio-tempo ordinario finché non lo osserviamo come una particella. La coscienza distrugge la funzione d'onda della particella.

L'ultimo punto è interessante in quanto senza un osservatore cosciente che faccia collassare l'onda, essa rimarrà senza manifestazione fisica. L'osservazione non solo disturba l'oggetto misurato, ma produce un effetto. Lo ha verificato il cosiddetto esperimento della doppia fenditura, in cui la presenza di un osservatore cosciente modifica il comportamento di un elettrone, trasformandolo da onda a particella. Il cosiddetto effetto osservatore travolge completamente ciò che sappiamo mondo reale... A proposito, ecco un cartone animato in cui tutto è chiaramente mostrato.

Come ha osservato lo scienziato Dean Radin, “costringiamo l'elettrone a prendere una certa posizione. Realizziamo noi stessi i risultati delle misurazioni." Ora si crede che "non siamo noi che misuriamo l'elettrone, ma la macchina che sta dietro l'osservazione". Ma l'auto integra semplicemente la nostra coscienza. È come dire "non sono io che guardo quello che nuota attraverso il lago, è il binocolo". La macchina stessa non vede altro che un computer in grado di "ascoltare" le canzoni interpretando il segnale sonoro.

Alcuni scienziati suggeriscono che senza coscienza, l'universo esisterà indefinitamente, come un mare di potenziale quantistico. In altre parole, la realtà fisica non può esistere senza soggettività. Non c'è materia fisica senza coscienza. Questa osservazione è nota come "" ed è stata derivata per la prima volta dal fisico John Wheeler. In effetti, qualsiasi universo possibile che possiamo immaginare senza un osservatore cosciente sarà già con lui. La coscienza è la base dell'essere in questo caso ed esisteva, forse, prima dell'universo fisico. La coscienza crea letteralmente il mondo fisico.

Questi risultati garantiscono enormi implicazioni su come comprendiamo la nostra relazione con il mondo esterno e che tipo di relazione potremmo avere con l'universo. Come esseri viventi, abbiamo accesso diretto a tutto e il fondamento di tutto ciò che esiste fisicamente. La coscienza ci permette di farlo. "Noi creiamo la realtà" significa in questo contesto che i nostri pensieri creano una prospettiva di ciò che siamo nel nostro mondo, ma se lo guardi, è importante per noi comprendere con precisione questo processo. Generiamo l'universo fisico con la nostra soggettività. Il tessuto dell'universo è la coscienza e noi siamo solo increspature sul mare dell'universo. Si scopre che siamo fortunati a sperimentare il miracolo di una tale vita e l'Universo continua a riversare in noi una parte della sua autocoscienza.

“Penso che la coscienza sia fondamentale. Considero la materia derivata dalla coscienza. Non possiamo rimanere inconsapevoli. Tutto ciò di cui parliamo, tutto ciò che vediamo come esistente, postula la coscienza". - Max Planck, premio Nobel e pioniere della teoria quantistica.

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Sperimenta con due fessure

Consideriamo un "archetipo" esperimento di meccanica quantistica in cui un fascio di elettroni, luce o qualsiasi altra "onda particellare" è diretto attraverso due strette fenditure su uno schermo dietro di loro (Figura 6.3).

Riso. 6.Z. Esperimento con due fenditure e luce monocromatica (Legenda nella figura: S (ing. fonte) - una fonte, T (ing. superiore) - superiore [fessura], B (ing. parte inferiore) - in basso [scanalatura]. - ca. ed.)

Per essere più precisi, scegliamo leggero e concorderemo di chiamare il quanto di luce "fotone" secondo la terminologia accettata. La manifestazione più ovvia della luce come un flusso particelle(fotoni) viene osservato sullo schermo. La luce raggiunge lo schermo sotto forma di porzioni puntuali di energia, che sono sempre legate alla frequenza della luce dalla formula di Planck: E = hv ... L'energia non viene mai trasmessa sotto forma di "metà" (o altra frazione) di un fotone. La registrazione dei fotoni è un fenomeno del tutto o niente. Si osserva sempre solo un numero intero di fotoni.

Ma quando passano attraverso due fenditure, i fotoni rilevano onda comportamento. Supponiamo che all'inizio sia aperta solo una fessura (e la seconda sia ben chiusa). Passato attraverso questa fenditura, il raggio di luce "si disperde" (questo fenomeno è chiamato diffrazione ed è caratteristico della propagazione delle onde). È ancora possibile aderire al punto di vista corpuscolare e assumere che l'espansione del fascio sia dovuta all'influenza dei bordi della fenditura, che fa deviare i fotoni di una quantità casuale in entrambe le direzioni. Quando la luce che passa attraverso la fenditura ha un'intensità sufficiente (il numero di fotoni è grande), allora l'illuminazione dello schermo appare uniforme. Ma se l'intensità della luce viene ridotta, possiamo affermare con sicurezza che l'illuminazione dello schermo si disintegrerà in punti separati, secondo la teoria corpuscolare. I punti luminosi si trovano dove i singoli fotoni colpiscono lo schermo. La distribuzione apparentemente uniforme dell'illuminazione è un effetto statistico dovuto al molto un largo numero partecipando al fenomeno dei fotoni (Fig. 6.4).

Riso. 6.4. Lo schema della distribuzione dell'intensità sullo schermo quando è aperta una sola fessura: si osserva una distribuzione di puntini discreti

(Per fare un confronto, una lampada elettrica da 60 watt emette circa 100.000.000.000.000.000.000 fotoni al secondo!) Quando passano attraverso la fessura, i fotoni vengono effettivamente deviati in modo casuale. Inoltre, deviazioni ad angoli diversi hanno probabilità diverse, il che dà origine alla distribuzione osservata dell'illuminazione sullo schermo.

Ma la difficoltà principale per il quadro corpuscolare sorge quando apriamo la seconda fenditura! Supponiamo che la luce sia emessa da una lampada al sodio gialla, il che significa che ha un colore puro senza impurità, o, per usare il termine fisico, luce monocromatico, cioè ha una frequenza definita, o, nel linguaggio dell'immagine corpuscolare, tutti i fotoni hanno la stessa energia. La lunghezza d'onda in questo caso è di circa 5 x 10 -7 M. Supponiamo che le fessure siano larghe circa 0,001 mm e siano distanziate di circa 0,15 mm e lo schermo si trovi a una distanza di circa 1 m da esse. la distribuzione dell'illuminazione sembra ancora uniforme, ma ora ha una specie di parvenza ondulazioni chiamato schema di interferenza - si osservano strisce sullo schermo a circa 3 mm dal centro (Fig. 6.5).

Riso. 6.5. Schema di distribuzione dell'intensità quando entrambe le fenditure sono aperte: si osserva una distribuzione ondulata di punti discreti

Aprendo la seconda fessura, speravamo di vedere il doppio dell'illuminazione dello schermo (e questo, infatti, sarebbe vero se si considerasse completare illuminazione dello schermo). Ma si è scoperto che ora il dettaglio la pittura l'illuminazione è completamente diversa da quella che avveniva con una feritoia aperta. In quei punti dello schermo dove l'illuminazione è massima, la sua intensità non è in Due e in quattro volte più di quello che era prima. In altri punti, dove l'illuminazione è minima, l'intensità scende a zero. I punti di intensità zero sono forse il più grande mistero dal punto di vista corpuscolare. Questi sono i punti che il fotone potrebbe raggiungere in sicurezza se solo una fenditura fosse aperta. Ora, quando abbiamo aperto il secondo slot, all'improvviso si è scoperto che qualcosa impedito il fotone arriva dove avrebbe potuto arrivare prima. Come è potuto succedere che regalando un fotone alternativa percorso, siamo in realtà ostacolato il suo passaggio lungo una delle rotte?

Se la lunghezza d'onda di un fotone viene presa come la "dimensione" di un fotone, allora sulla scala di un fotone la seconda fenditura si trova dalla prima a una distanza di circa 300 "dimensioni del fotone" (e la larghezza di ciascuna fenditura è circa due lunghezze d'onda del fotone) (Fig. 6.6).

Riso. 6.6. Slot "dal punto di vista" del fotone! È davvero importante per un fotone se la seconda fenditura situata a una distanza di circa 300 "dimensioni del fotone" è aperta o chiusa?

Come fa un fotone, passando attraverso una delle fenditure, ad "apprendere" se l'altra fenditura è aperta o chiusa? Infatti, in linea di principio, non c'è limite alla distanza di cui le asole possono essere distanziate affinché si verifichi il fenomeno di "smorzamento o amplificazione".

Sembra che quando la luce passa attraverso una o due fenditure, si comporta come onda , e non come corpuscolo (particella)! Tale estinzione - interferenza distruttiva è una proprietà ben nota delle onde ordinarie. Se ciascuna delle due rotte separatamente può essere attraversata da un'onda, allora quando le onde sono aperte per essa entrambi percorso, può risultare che si annullano a vicenda. Nella fig. 6.7 mostra come ciò avviene.

Riso. 6.7. Un modello di onda pura ci consente di comprendere la distribuzione delle strisce chiare e scure sullo schermo (ma non la discrezione) in termini di interferenza delle onde

Quando una parte dell'onda, passando per uno degli slot, incontra una parte dell'onda che è passata attraverso l'altro slot, allora si rinforzano a vicenda se sono "in fase" (cioè se due creste o due avvallamenti si incontrano), o si estinguono se sono "in antifase" (cioè, la cresta di una parte incontra la depressione dell'altra). Nell'esperimento con due fenditure, appaiono punti luminosi sullo schermo in cui le distanze dalle fenditure differiscono di totale il numero di lunghezze d'onda in modo che le creste cadano sulle creste, e le depressioni - sulle depressioni, e appaiono luoghi oscuri dove la differenza di queste distanze è uguale a mezzo numero intero di lunghezze d'onda in modo che le creste incontrino le depressioni, e il avvallamenti - con le creste.

Non c'è nulla di misterioso nel comportamento di un'onda classica macroscopica ordinaria che passa simultaneamente attraverso due fenditure. In ultima analisi, un'onda è solo un "disturbo" di un mezzo continuo (campo) o di una sostanza, costituita da una miriade di minuscole particelle puntiformi. La perturbazione può passare in parte attraverso una fessura, in parte attraverso l'altra fessura. Ma nel quadro corpuscolare la situazione è diversa: ogni singolo fotone si comporta da solo, come un'onda! In un certo senso, ogni particella passa attraverso entrambi gli slot contemporaneamente e interferisce con me stesso ! Perché se l'intensità della luce totale è significativamente ridotta, allora si può garantire che non ci sarà più di un fotone alla volta vicino alle fenditure. Il fenomeno dell'interferenza distruttiva, quando due vie alternative in qualche modo "escogitano" di escludersi a vicenda dal numero delle possibilità realizzate, è qualcosa che si applica a uno fotone. Se solo uno dei due percorsi è aperto per un fotone, il fotone può attraversarlo. Se un'altra rotta è aperta, il fotone può passare dalla seconda invece che dalla prima. Ma se davanti al fotone sono aperti entrambi rotta, queste due possibilità si annullano miracolosamente e si scopre che il fotone non può percorrere nessuna delle rotte!

Consiglio vivamente al lettore di fermarsi a riflettere sul significato di questo fatto insolito. Il punto non è che la luce si comporta in alcuni casi come onde e in altri come particelle. Ogni particella individualmente si comporta come un'onda; e le varie possibilità alternative che si aprono alla particella possono a volte distruggersi completamente a vicenda!

Un fotone si divide davvero in due e passa in parte attraverso una fenditura e in parte attraverso l'altra? La maggior parte dei fisici obietterà a questa formulazione della domanda. A loro avviso, entrambe le vie aperte alla particella dovrebbero contribuire al risultato finale, sono solo aggiuntivo modi di moto, e non si dovrebbe pensare che una particella debba dividersi in due per passare attraverso le fenditure. A sostegno del punto di vista che la particella non passa in parte per una fenditura e in parte per un'altra, possiamo considerare una situazione modificata in cui un rivelatore di particelle... In questo caso, un fotone (o qualsiasi altra particella) appare sempre come un tutto unico, e non come una parte del tutto: dopotutto, il nostro rivelatore registra o un fotone intero o una completa assenza di fotoni. Tuttavia, se il rilevatore si trova abbastanza vicino a una delle fenditure perché l'osservatore possa discernere, attraverso quale di essi è passato il fotone, quindi il modello di interferenza sullo schermo scompare. Affinché si verifichi l'interferenza, a quanto pare, è necessaria la "mancanza di conoscenza" di quale delle fenditure la particella sia "realmente" passata.

Per ottenere interferenze, entrambi alternative devono contribuire, a volte "sommando", rafforzandosi reciprocamente il doppio di quanto ci si aspetterebbe, e talvolta "sottraendo" a misteriosamente ripagare l'un l'altro. In effetti, secondo le regole della meccanica quantistica, sta effettivamente accadendo qualcosa di ancora più misterioso! Certo, le alternative possono sommarsi (i punti più luminosi sullo schermo), le alternative possono essere sottratte (punti scuri), ma possono anche formare strane combinazioni come:

alternativa UN + io x alternativa V ,

dove io - "radice quadrata di meno uno" ( io = ? -1 ), che abbiamo già incontrato nel capitolo 3 (in punti dello schermo con intensità di illuminazione intermedie). Infatti qualsiasi complesso il numero può svolgere il ruolo di coefficiente in una "combinazione di alternative"!

Il lettore potrebbe aver già ricordato l'avvertimento che ho fatto nel capitolo 3 secondo cui i numeri complessi svolgono "un ruolo assolutamente fondamentale nella struttura della meccanica quantistica". I numeri complessi non sono solo curiosità matematiche. I fisici furono costretti a prestare loro attenzione da fatti sperimentali convincenti e inaspettati. Per comprendere la meccanica quantistica, dobbiamo acquisire maggiore familiarità con il linguaggio dei pesi a valori complessi. Diamo un'occhiata alle conseguenze di questo.

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Nel suo esperimento, Thomas Jung dimostrò che materia ed energia sono in grado di manifestare le caratteristiche di onde e particelle.

Sfida di apprendimento

Comprendi perché l'esperimento di Jung sembra più plausibile delle espressioni di Huygens.

Punti chiave

Le forme d'onda fanno sì che la luce che passa attraverso la fenditura interferisca con se stessa, formando aree chiare e scure.
Se le onde interferiscono nelle creste, ma convergono in fase, allora siamo di fronte ad un'interferenza costruttiva. Se le onde non corrispondono completamente, si tratta di un'interferenza distruttiva.
Ogni punto sul muro ha una distanza diversa dallo spazio vuoto. Questi percorsi corrispondono a un diverso numero di onde.

Termini

Interferenza distruttiva: le onde interferiscono e non corrispondono.
Interferenza costruttiva: le onde interferiscono con le creste, ma sono in fase.

L'esperimento della doppia fenditura mostra che materia ed energia sono in grado di comportarsi come onde o particelle. Nel 1628 Christian Huygens dimostrò che la luce agisce come un'onda. Ma alcune persone non erano d'accordo, specialmente Isaac Newton. Credeva che la spiegazione avrebbe richiesto l'interferenza del colore e gli effetti di diffrazione. Fino al 1801 nessuno credeva che la luce fosse un'onda, finché Thomas Jung non apparve con il suo esperimento con una doppia fenditura - l'esperimento di Jung. Ha fatto due fenditure verticali ravvicinate (la distanza approssimativa tra le fenditure nell'esperimento di Jung può essere vista nel diagramma in basso) e ha lasciato che la luce li attraversasse, osservando il motivo creato sul muro.

La luce passa attraverso due fenditure verticali e viene diffratta come due linee verticali disposte orizzontalmente. Se non fosse per la diffrazione e l'interferenza, la luce creerebbe semplicemente due linee

Dualità delle particelle d'onda

A causa delle caratteristiche della forma d'onda, la luce passa attraverso le fenditure e si scontra, formando regioni chiare e scure sulla parete. Viene disperso e assorbito dalla parete, assumendo le caratteristiche delle particelle.

L'esperimento di Jung

Perché l'esperimento della doppia fenditura di Jung ha convinto tutti? Huygens inizialmente aveva ragione, ma non è stato in grado di mostrare le sue conclusioni in pratica. La luce ha lunghezze d'onda relativamente corte, quindi deve essere in contatto con qualcosa di piccolo da dimostrare.

L'esempio utilizza due sorgenti luminose coerenti con la stessa lunghezza d'onda monocromatica (in un'unica fase). Cioè, due fonti creeranno interferenze costruttive o distruttive.

Interferenza costruttiva e distruttiva

Il rumore strutturale si verifica quando le onde interferiscono con le creste ma sono in fase. Questo amplificherà la forma d'onda risultante. Quelli distruttivi interferiscono completamente tra loro e non coincidono, il che annulla l'onda.

Le due fenditure formano due sorgenti d'onda coerenti che interferiscono tra loro. (a) - La luce viene diffusa da ciascuna fessura, a causa della loro ristrettezza. Le onde si sovrappongono e interferiscono in modo costruttivo (linee chiare) e distruttivo (aree scure). (b) - Il disegno a doppia fessura per le onde d'acqua coincide praticamente con quelle leggere. L'attività maggiore si nota nelle aree con interferenze distruttive. (c) - Quando la luce colpisce lo schermo, ci troviamo di fronte a uno schema simile

Le ampiezze d'onda si sommano. (a) - L'interferenza costruttiva pura è possibile se le stesse onde convergono in fase. (b) - Interferenza distruttiva pura - onde identiche non convergono esattamente in fase

Il modello creato non sarà casuale. Ogni fessura si trova a una certa distanza. Tutte le onde iniziano nella stessa fase, ma la distanza da un punto sul muro allo spazio crea un tipo di interferenza.