 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Эксперимент с двойной щелью в пространстве-времени.
Ричард Фейнман, отец квантовой электродинамики, или «OED», осознал важность эксперимента Томпсона с двумя щелями, потому что он чувствовал, что тщательное обдумывание его последствий позволит получить полное представление о корпускулярно-волновом дуализме существования, предсказанном квантовой механикой.Однако это можно понять в терминах классических свойств волновой механики и пространственно-временной вселенной, определенных Эйнштейном.
Эксперимент с двойной щелью состоит из когерентного источника фотонов, освещающих экран после прохождения через тонкую пластину с двумя параллельными прорезями. Их волновые свойства приводят к тому, что при прохождении через обе щели они интерферируют, создавая на экране интерференционную картину из светлых и темных полос. Однако на экране свет всегда поглощается в виде отдельных частиц, называемых фотонами.
Когда открыта только одна щель, рисунок на экране представляет собой дифракционную картину, однако, когда открыты обе щели, рисунок получается похожим, но гораздо более детализированным. Эти факты были разъяснены Томасом Янгом в статье под названием “Эксперименты и расчеты, относящиеся к физической оптике», опубликованной в 1803 году, в которой говорилось: «С очень высокой степенью успеха эти результаты могут быть объяснены методом принципа Гюйгенса–Френеля, основанного на гипотезе о том, что свет состоит из волн, распространяющихся в некоторой среде.Однако открытие фотоэффекта заставило выйти за рамки классической физики и принять во внимание квантовую природу света.Широко распространено заблуждение, что когда две щели открыты, но добавлен детектор для определения того, через какую из них прошел фотон, интерференционная картина больше не формируется и получается две простые картины, по одной от каждой щели, без помех.
Это связано с тем, что существуют способы определить, через какую щель он прошел, при которых интерференционная картина изменится, но не исчезнет полностью. Например, если поместить атом в положение каждой щели и отслеживать, влияет ли фотон, проходящий через нее, на один из этих атомов, интерференционная картина изменится, но не исчезнет полностью.
Но самая непонятная часть этого эксперимента возникает, когда только один фотон одновременно ударяется о барьер с двумя открытыми щелями, потому что образуется интерференционная картина, которая похожа на ту, что была при столкновении нескольких фотонов с барьером. Это явный намек на то, что частица, называемая фотоном, обладает волновой составляющей, которая одновременно проходит через обе щели и интерферирует сама с собой. (Эксперимент также работает с электронами, атомами и даже некоторыми молекулами.)”
Многие считают, что важность этого эксперимента заключается в том, что он демонстрирует как двойственность волновых и корпускулярных свойств фотонов, так и концепции суперпозиции и квантовой интерференции.Тем не менее, этот эксперимент можно понять с точки зрения классических свойств волн и теории относительности, потому что они говорят нам, что электромагнитная волна непрерывно движется в пространстве-времени, если только кто-то наблюдающий за ней или что-то взаимодействующее с ней не мешает ей это делать. Это привело бы к тому, что его энергия была бы ограничена трехмерным пространством. Наука волновая механика также говорит нам, что трехмерные «стены» этого замкнутого пространства приведут к тому, что его энергия будет отражаться обратно на себя, создавая тем самым резонансную стоячую волну в трехмерном пространстве. Это привело бы к концентрации ее энергии в той точке пространства, где была бы обнаружена частица. Кроме того, волновая механика также говорит нам, что энергия резонансной системы, такой как стоячая волна, которую создало бы это ограничение, может принимать только дискретные или квантованные значения, связанные с ее основной частотой или гармоникой ее основной частоты.
Кроме того, это также говорит нам о том, что частица будет иметь увеличенный объем, равный длине волны, связанной с ее стоячей волной.
(Обратите внимание, что границы или «стены», ограничивающие электромагнитную волну, будут определяться ее волновыми свойствами. Если препятствовать перемещению электромагнитной волны в пространстве, она будет отражаться сама от себя. Однако эта отраженная волна все еще не может перемещаться в пространстве, поэтому она будет отражена обратно, создавая стоячую волну. Иными словами, волна сама определяет свои границы, потому что, если она не может перемещаться в пространстве, она ДОЛЖНА оставаться на месте в виде стоячей волны.)
Говоря языком квантовой механики, когда электромагнитной волне мешают перемещаться в пространстве либо из-за того, что за ней наблюдают или при столкновении с объектом она «коллапсирует», образуя стоячую волну, которая определяет квантованную энергию, связываемую квантовой механикой с частицей.
Это показывает причину, по которой интерференционная картина сохраняется, когда один фотон за раз попадает в барьер при открытых обеих щелях или «самая непонятная часть этого эксперимента» заключается в том, что, как упоминалось ранее, он состоит из электромагнитной волны, следовательно, он занимает большой объем, который напрямую связан с его длиной волны.Это означает, что часть его энергии может одновременно проходить через обе щели, если диаметр ее объема превышает расстояние между щелями, и рекомбинировать на другой стороне, создавая интерференционную картину.Однако, если его энергия не сможет перемещаться в пространстве из-за контакта с экраном, она будет ограничена трехмерным пространством, что приведет к ее концентрации в стоячей волне, которая, как упоминалось ранее, будет определять энергию фотона, попавшего на экран.
Кроме того, поскольку энергия стоячей волны, которая, как было показано ранее, определяет квантовые свойства фотона, зависит от его частоты, энергия частицы, когда она соприкасается с экраном, должна иметь ту же энергию. Следовательно, то, где она появляется на экране, будет определяться тем, где интерференция волновых свойств каждой щели объединяется для получения энергии, достаточной для поддержания стоячей волны, связанной со свойствами частиц.Это также объясняет, почему интерференционная картина исчезает в большинстве случаев при добавлении детектора для определения того, через какую щель проходит фотон, потому что энергия, необходимая для ее измерения, приводит к изменению длины волны измеряемого фотона, так что он не будет иметь тех же резонансных характеристик как тот, что прошел через другую щель. Следовательно, энергия, проходящая через эту щель, в большинстве случаев не сможет взаимодействовать с энергией, проходящей через другую щель, и интерференционная картина не сформируется.
Однако, это также объясняет, почему, как упоминалось ранее, существуют способы определить который уменьшает энергию прошедшего через него фотона, что приведет к изменению интерференционной картины, но не уничтожит ее полностью.Причина этого в том, что если энергия, проходящая через одну из двух щелей, изменяется на относительно небольшую величину по сравнению с тем, какой она была изначально, классическая волновая механика говорит нам, что она сможет взаимодействовать, образуя немного иную резонансную структуру с немного иной интерференционной картиной. с другой стороны, это было бы не так, если бы измерения не проводились.Однако это также означает, что нужно уметь использовать науку о волновой механике и физические свойства пространства-времени для количественной оценки максимального количества энергии, которое измерительное устройство может извлечь из волны при прохождении через щель, что позволит получить интерференционную картину, хотя и несколько измененную чтобы быть восстановленным на другой стороне.
Например, если приведенная выше интерпретация эксперимента с двумя щелями верна, то можно использовать науку волновой механики для расчета энергии, необходимой для того, чтобы вызвать определенное изменение интерференции, и определить, соответствует ли она энергии, отбираемой из системы детекторным оборудованием.
Это дает экспериментальный способ определить, обусловлены ли результаты эксперимента Томпсона с двумя щелями физическими свойствами пространства-времени или квантовыми свойствами волновой функции, потому что, если картина исчезает выше этого значения и снова появляется ниже, это указывает на то, что приведенное выше объяснение справедливо. Если нет, то это наводит на мысль о квантово-механическом подходе.
Объяснение Эйнштейном необъяснимого
Эксперимент с двойной щелью в пространстве-времени. впервые появилась на сайте, посвященном объединению квантовой и релятивистской теорий.
Другие новости: