Двухщелево́й опыт в является демонстрацией того, что свет и материя в целом могут проявлять характеристики как классических волн, так и частиц; кроме того, он отображает фундаментально вероятностный характер квантово-механических явлений. Впервые опыт был проведён Томасом Юнгом со светом в 1801 году. В 1927 году Дэвиссон и Гермер продемонстрировали, что электроны проявляют такое же поведение, которое позднее расширено на атомы и молекулы«Physicists Smash Record For Wave-Particle Duality ».

Опыт Томаса Юнга со светомWhile 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. был частью классической физики задолго до квантовой механики и концепции корпускулярно-волнового дуализма. Он полагал, что это продемонстрировало правильность волновой теории света. Его опыт иногда называют «щели Юнга».

Этот опыт относится к общему классу опытов с «двойным путём», в которых первоначальная волна разделяется на две раздельные, которые впоследствии снова объединяются в одну. Изменения длины пути обеих волн приводят к сдвигу фаз, создавая интерференционную картину. Другой версией опыта является интерферометр Маха — Цендера, который разделяет луч при помощи зеркала.

В базовой версии этого опыта источник когерентного света, такой как лазерный луч, освещает пластину с двумя параллельными щелями, и свет, проходящий через щели, наблюдают на экране за пластиной. Волновая природа света вызывает интерференцию световых волн, проходящих через две щели, создавая яркие и тёмные полосы на экране — результат, которого не должно было бы быть, если бы свет состоял из классических частицFeynman, 1965, p. 1.5. Однако всегда обнаруживается, что свет поглощается на экране в отдельных точках, в виде отдельных частиц (не волн), а интерференционная картина появляется из-за изменяющейся плотности попадания этих частиц на экран. Кроме того, версии опыта, включающие детекторы в щелях, обнаруживают, что каждый обнаруженный фотон проходит только через одну щель (как классическая частица), а не через обе щели (как волна)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.» . Тем не менее, такие опыты показывают, что частицы не образуют интерференционную картину, если наблюдать, через какую щель они проходят. Эти результаты демонстрируют принцип корпускулярно-волнового дуализмаFeynman, 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 .

Обнаружено, что другие объекты атомного масштаба, например электроны, проявляют то же поведение при стрельбе по двойной щели. Кроме того, наблюдение отдельных дискретных взаимодействий по своей природе является вероятностным, что необъяснимо с помощью классической механики.

Опыт может быть сделан с намного более крупными объектами, чем электроны и фотоны, хотя он становится более сложным с увеличением размеров. Крупнейшими объектами, для которых был проведён опыт с двумя щелями, были молекулы, каждая из которых содержала 810 атомов (общая масса которых составляла более 10000 атомных единиц массы).

Двухщелевой опыт (и его вариации) стал классическим мысленным экспериментом, как яркий пример загадок квантовой механики. Поскольку он демонстрирует фундаментальное ограничение способности наблюдателя прогнозировать экспериментальные результаты, Ричард Фейнман назвал это «явлением, которое невозможно […] объяснить каким-либо классическим способом, и в котором заложено сердце квантовой механики. В действительности, оно содержит единственную тайну [квантовой механики]».

Обзор

Если бы свет состоял строго из обычных или классических частиц, и эти частицы выпускались бы по прямой линии через щель, что позволяло бы им попадать в экран на другой стороне, мы ожидали бы увидеть изображение, соответствующее размеру и форме щели. Однако, когда этот «эксперимент с одной щелью» выполняется в реальности, изображение на экране представляет собой дифракционную картину распределения света. Чем меньше щель, тем больше угол расхождения. В верхней части изображения показана центральная часть паттерна, сформированного при освещении лазером щели. Также можно заметить две слабые боковые полосы. Большее число полос можно увидеть с более точной установкой. Изображение объясняется дифракцией как результат интерференции световых волн от щели.

Если освещать две параллельные щели, то свет от двух щелей дополнительно интерферирует. Здесь интерференция представляет собой более выраженный паттерн с чередованием светлых и тёмных полос. Ширина полос зависит от частоты испускаемого светаCharles Sanders Peirce first proposed the use of this effect as an artifact-independent reference standard for length. (См. нижнюю фотографию справа.) Когда Томас Юнг (1773—1829) впервые продемонстрировал это явление, он указал, что свет состоит из волн, поскольку распределение яркости может быть объяснено попеременно аддитивной и вычитающей интерференцией волнового фронта. Опыт Юнга, выполненный в начале 1800-х годов, сыграл критически важную роль в принятии волновой теории света, победив корпускулярную теорию света, предложенную Исааком Ньютоном, которая была принятой моделью распространения света в 17-м и 18-м веках. Однако позднее обнаружение фотоэлектрического эффекта продемонстрировало, что при различных обстоятельствах свет может вести себя так, как если бы он состоял из дискретных частиц. Эти, казалось бы, противоречивые открытия заставили выйти за рамки классической физики и принять во внимание квантовую природу света.

Фейнман любил говорить, что всю квантовую механику можно получить из тщательного обдумывания последствий этого единственного эксперимента. Он также предложил (в качестве мысленного эксперимента), что размещение детекторов перед каждой щелью приведёт к исчезновению интерференционной картиныFeynman, 1965, chapter 3.

Соотношение подробно описывает математику двухщелевой интерференции в контексте квантовой механики.

Низкоинтенсивный двухщелевой опыт был впервые выполнен Дж. И. Тейлором в 1909 г. путём снижения уровня падающего света до тех пор, пока события испускания/поглощения фотонов большей частью не перекрывались. Двухщелевой опыт не проводился ни с чем, кроме света, до 1961 года, когда Клаус Йонссон из Тюбингенского университета выполнил его с электронными пучками. В 1974 году итальянские физики Пьер Джорджо Мерли, Джан Франко Миссироли и Джулио Поцци повторили опыт, используя одиночные электроны и бипризму (вместо щелей), показав, что каждый электрон взаимодействует с самим собой, как и предсказывает квантовая теория. В 2002 году одноэлектронная версия опыта была признана читателями журнала Physics World «самым красивым экспериментом»«The most beautiful experiment» . Physics World 2002..

В 2012 году Стефано Фраббони и его коллеги в конечном итоге провели двухщелевой опыт с электронами и реальными щелями, следуя оригинальной схеме, предложенной Фейнманом. Они посылали одиночные электроны на нанофабрикатные щели (шириной около 100 нм) и, собирая прошедшие электроны одноэлектронным детектором, смогли показать накопление двухщелевой интерференционной картины.

В 2019 году Марко Джаммарки и его коллеги продемонстрировали интерференцию отдельных частиц для антиматерииScience Advances 03 May 2019: Vol. 5, no. 5, eaav7610 DOI: 10.1126/sciadv.aav7610 .

Варианты опыта

Интерференция отдельных частиц

Важная версия этого эксперимента подразумевает одиночные частицы (или волны — для согласованности они называются здесь частицами). Испускание одиночных частиц через устройство с двумя щелями приводит к ожидаемому появлению на экране одиночных частиц. Примечательно, однако, что интерференционная картина возникает, если эти частицы накапливать (см. соседнее изображение). Это демонстрирует корпускулярно-волновой дуализм, который утверждает, что вся материя проявляет свойства как волн, так и частиц: частица измеряется как один импульс в одной позиции, а волна описывает вероятность поглощения частицы в определённом месте на экране. Было показано, что это явление происходит с фотонами, электронами, атомами и даже некоторыми молекулами, включая букиболNew Scientist: Quantum wonders: Corpuscles and buckyballs, 2010 (Introduction, subscription needed for full text, quoted in full in )Wave Particle Duality of C60 . Таким образом, эксперименты с электронами добавляют подтверждающее доказательство к мнению, что электроны, протоны, нейтроны и даже более крупные объекты, которые обычно называют частицами, тем не менее, имеют свою собственную волновую природу и даже длину волны (связанную с их импульсом).

Вероятность обнаружения является квадратом амплитуды волны и может быть рассчитана с помощью классических волн (см. ниже). Частицы не попадают на экран в определённом порядке, поэтому знание того, где появились на экране и в каком порядке все предыдущие частицы, ничего не говорит о том, где будет обнаружена следующая частицаBrian Greene, The Elegant Universe, p. 104, pp. 109—114. Если в каком-то месте происходит затухание волн, это не означает исчезновение частицы; она появится где-то в другом месте. С момента появления квантовой механики некоторые теоретики искали способы включения дополнительных детерминант или «скрытых параметров», зная которые было бы возможно определять местоположение каждого отдельного попадания в мишень.

Более сложные системы, которые включают две и более частиц в суперпозиции, приведённому выше объяснению не поддаютсяBaggott, Jim (2011). The Quantum Story: A History in 40 Moments. New York: Oxford University Press. pp. 76. («The wavefunction of a system containing N particles depends on 3N position coordinates and is a function in a 3N-dimensional configuration space or 'phase space'. It is difficult to visualize a reality comprising imaginary functions in an abstract, multi-dimensional space. No difficulty arises, however, if the imaginary functions are not to be given a real interpretation.»).

Интерферометр Маха — Цендера

Интерферометр Маха — Цендера можно рассматривать как упрощённую версию эксперимента с двумя щелями. Вместо того, чтобы распространяться через свободное пространство после двух щелей и попадать в любую точку широкого экрана, в интерферометре фотоны могут распространяться только по двум путям и попадать в два дискретных фотодетектора. Это позволяет описывать процесс с помощью простой линейной алгебры размерности 2 вместо дифференциальных уравнений.

Фотон, испускаемый лазером, попадает в первый светоделитель и затем оказывается в суперпозиции между двумя возможными траекториями. Во втором светоделителе эти пути интерферируют, в результате чего фотон попадает в фотодетектор справа с вероятностью один и в фотодетектор внизу с вероятностью ноль. Интересно, что если фотон оказывается только на одном из путей между светоделителями, этого можно достичь, заблокировав один из путей, или, что то же самое, пронаблюдав там присутствие фотона, то в обоих случаях интерференция пропадает, и оба фотодетектора будут срабатывать с вероятностью 1/2. Из этого факта мы можем заключить, что фотон не идёт по одному из путей после первого светоделителя, а скорее находится в настоящей квантовой суперпозиции двух путей.

Опыты по выявлению пути и принцип дополнительности