Nur wenige wissenschaftliche Experimente sind so seltsam und überzeugend wie das Doppelspaltexperiment.
Wenige Experimente in der modernen Physik, wenn überhaupt, sind in der Lage, eine so einfache Idee zu vermitteln – dass Licht und Materie sowohl als Wellen als auch als diskrete Teilchen fungieren können, je nachdem, ob sie beobachtet werden –, die aber nichtsdestotrotz eines der großen Geheimnisse von istQuantenmechanik.
Es ist die Art von Experiment, das trotz seiner Einfachheit schwer zu verstehen ist, weil das, was es zeigt, unglaublich kontraintuitiv ist.
Aber das Doppelspaltexperiment wurde nicht nur unzählige Male in Physiklabors auf der ganzen Welt wiederholt, sondern es hat sogar viele abgeleitete Experimente hervorgebracht, die sein endgültiges Ergebnis weiter untermauern, dass Teilchen Wellen oder diskrete Objekte sein können und das auch sindals ob sie "wüssten", wenn du sie beobachtest.
Was zeigt das Doppelspaltexperiment?
Um zu verstehen, was das Doppelspaltexperiment zeigt, müssen wir einige Schlüsselideen aus der Quantenmechanik darlegen.
Im Jahr 1925 überreichte Werner Heisenberg seinem Mentor, dem bedeutenden deutschen Physiker Max Born, eine Arbeit zur Überprüfung, die zeigte, wie die Eigenschaften subatomarer Teilchen, wie Ort, Impuls und Energie, gemessen werden können.
Born sah, dass diese Eigenschaften durch mathematische Matrizen mit eindeutigen Zahlen und Beschreibungen einzelner Teilchen dargestellt werden konnten, und legte damit den Grundstein für die Matrixbeschreibung der Quantenmechanik.
Inzwischen, 1926, Edwin Schrödinger veröffentlichte seine Wellentheorie der Quantenmechanik, die zeigte, dass Teilchen durch eine Gleichung beschrieben werden konnten, die ihre Wellenform definierte; das heißt, sie bestimmte, dass Teilchen tatsächlich Wellen waren.
Daraus entstand das Konzept der Welle-Teilchen-Dualität, das eines der bestimmenden Merkmale der Quantenmechanik ist. Gemäß diesem Konzept können subatomare Einheiten sowohl als Wellen als auch als Teilchen beschrieben werden, und es liegt an der Entscheidung des Beobachterswie man sie misst.
Dieser letzte Teil ist wichtig, da er bestimmt, wie sich Quantenwesen manifestieren. Wenn Sie versuchen, die Position eines Teilchens zu messen, messen Sie die Position eines Teilchens, und es wird überhaupt aufhören, eine Welle zu sein.
Wenn Sie versuchen, seinen Impuls zu definieren, werden Sie feststellen, dass sich das wie eine Welle verhält, und Sie können nichts Definitives über seine Position wissen, außer der Wahrscheinlichkeit, dass es an einem bestimmten Punkt innerhalb dieser Welle existiert.
Im Wesentlichen messen Sie es als Partikel oder Welle und entscheiden so, welche Form es annehmen wird.
Das Doppelspaltexperiment ist eine der einfachsten Demonstrationen dieser Welle-Teilchen-Dualität sowie eine zentrale, definierende Verrücktheit der Quantenmechanik, die den Beobachter zu einem aktiven Teilnehmer am grundlegenden Verhalten von Teilchen macht.
Wie funktioniert das Doppelspalt-Experiment?
Der einfachste Weg, das Doppelspaltexperiment zu beschreiben, ist die Verwendung von Licht. Nehmen Sie zuerst eine Quelle kohärenten Lichts, z. B. einen Laserstrahl, der in einer einzigen Wellenlänge leuchtet, wie rein blaues sichtbares Licht bei 460 nm, und richten Sie es ausan einer Wand mit zwei Schlitzen darin. Der Abstand zwischen den Schlitzen sollte ungefähr der Wellenlänge des Lichts entsprechen. damit sie beide in diesem Lichtstrahl sitzen.
Platzieren Sie hinter dieser Wand einen Bildschirm, der das auftreffende Licht erkennen und aufzeichnen kann. Wenn Sie den Laserstrahl auf die beiden Schlitze feuern, sehen Sie auf dem Aufnahmebildschirm hinter der Wand ein Streifenmuster wie dieses:
Das ist wahrscheinlich nicht das, was Sie erwartet haben, und das ist vollkommen rational, wenn Sie Licht so behandeln, als wäre es eine Welle. Wenn das Licht eine Welle wäre, dann, wenn die einzelne Lichtwelle des Lasers beide Schlitze trifftSchlitz würde zu einer neuen "Lichtquelle" auf der anderen Seite der Wand, und so hätten Sie eine neue Welle, die von jedem Schlitz ausgeht und zwei Wellen erzeugt.
Wo diese beiden Wellen sich schneiden, verursacht etwas, das als Interferenz bekannt ist, und es kann entweder konstruktiv oder destruktiv sein. Wenn sich die Amplitude der Wellen entweder an einer Spitze oder einem Tal überlappt, verstärkt es die Wellenlänge in beide Richtungen, indem es seine Energie hinzufügtDies ist konstruktive Interferenz und erzeugt diese helleren Balken in diesem Muster.
Wenn sich die Wellen gegenseitig aufheben, wie wenn ein Peak auf ein Tal trifft, neutralisiert der Effekt die Wellenlänge und verringert oder eliminiert sogar das Licht, wodurch die schwarzen Räume zwischen den blauen Balken entstehen.
Aber im Fall von Quanteneinheiten wie Lichtphotonen oder Elektronen sind sie auch einzelne Teilchen. Was passiert also, wenn Sie ein einzelnes Photon durch die Doppelspalte schießen?
Ein einziges Photon, das auf den Bildschirm reagiert, hinterlässt möglicherweise einen winzigen Punkt, was isoliert vielleicht nicht viel bedeutet, aber wenn Sie viele einzelne Photonen auf die Doppelspalte schießen, zeigen sich tatsächlich diese winzigen Punkte, die das Photon auf unserem Bildschirm hinterlässtin demselben streifenförmigen Interferenzmuster, das vom Laserstrahl erzeugt wird, der auf die Doppelspalte trifft.
Mit anderen Worten, das einzelne Photon verhält sich, als wäre es durch beide Spalte gegangen, als wäre es eine Welle.
Nun, hier wird es wirklich seltsam.
Wir können einen Detektor vor einem der Schlitze aufstellen, der nach Photonen Ausschau halten kann und aufleuchtet, wenn er einen Durchgang erkennt. Wenn wir dies tun, wird der Detektor 50 % der Zeit aufleuchten und das Muster bleibt übrighinter auf dem Bildschirm ändert sich und gibt uns etwas, das so aussieht :
Und um die Dinge noch wilder zu machen, können wir einen Detektor aufstellen hinten die Wand, die ein Photon erst erkennt, nachdem es den Schlitz passiert hat, und wir erhalten das gleiche Ergebnis. Das heißt, selbst wenn das Photon beide Schlitze als Welle passiert, ist es in dem Moment, in dem es erkannt wird, keine Welle mehrsondern ein Teilchen. Und nicht nur das, diese zweite Welle, die aus dem anderen Spalt austritt, kollabiert auch wieder in das Teilchen, das beim Durchgang durch den anderen Spalt entdeckt wurde.
In der Praxis bedeutet dies, dass das Universum irgendwie „weiß“, dass jemand zuschaut, und die metaphorische Quantenmünze umdreht, um zu sehen, durch welchen Schlitz das Teilchen gegangen ist. Je mehr einzelne Photonen Sie durch den Doppelspalt schießen, desto näher kommt dieser PhotonendetektorPhotonen in 50 % der Fälle zu erkennen, genauso wie das 10-malige Werfen einer Münze in 70 % der Fälle Kopf ergibt, während das 100-malige Werfen in 55 % der Fälle Zahl und das 1-Milliarden-Werfen in 50,0003 Fällen Kopf ergibt% der ganzen Zeit.
Dies scheint zu zeigen, dass nicht nur das Universum den Beobachter beobachtet, sondern dass die Quantenzustände von Entitäten, die durch die Doppelspalte gehen, den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit unterliegen, was es unmöglich macht, jemals mit Sicherheit vorherzusagen, was der Quantenzustand isteiner Entität sein wird.
Wer hat das Doppelspaltexperiment erfunden?
Das Doppelspalt-Experiment ist tatsächlich etwas mehr als ein Jahrhundert älter als die Quantenmechanik.
Während der wissenschaftlichen Revolution war die Natur des Lichts ein besonders umstrittenes Thema, mit vielen – wie Isaak Newton selbst – argumentiert für eine Korpuskulartheorie des Lichts, die besagt, dass Licht durch Teilchen übertragen wird.
Andere glaubten, dass Licht eine Welle sei, die durch "Äther" oder ein anderes Medium übertragen wird, die Art und Weise, wie sich Schall durch Luft und Wasser ausbreitet, aber Newtons Ruf und das Fehlen eines effektiven Mittels, um die Wellentheorie des Lichts zu demonstrieren, festigten das KorpuskuläreAnsicht für knapp ein Jahrhundert, nachdem Newton seine veröffentlichte Optik 1704.
Die definitive Demonstration kam von dem britischen Universalgelehrten Thomas Young, der 1803 der Royal Society of London einen Aufsatz vorlegte, der zwei einfache Experimente beschrieb, die jeder durchführen konnte, um selbst zu sehen, dass Licht tatsächlich eine Welle war.
Zunächst stellte Young fest, dass ein Wellenpaar Interferenzen ausgesetzt war, wenn sie sich überlappten und ein charakteristisches Interferenzmuster erzeugten.
Er demonstrierte dieses Interferenzmuster zunächst anhand eines Wellenbeckens mit Wasser und zeigte, dass ein solches Muster charakteristisch für die Wellenausbreitung ist.
Young führte dann den Vorläufer des modernen Doppelspalt-Experiments ein, obwohl Young anstelle eines Laserstrahls zur Erzeugung der erforderlichen Lichtquelle reflektiertes Sonnenlicht verwendet, das auf zwei Schlitze in einer Karte als Ziel trifft.
Die resultierende Lichtbeugung zeigte das erwartete Interferenzmuster, und die Wellentheorie des Lichts gewann beträchtliche Unterstützung. Es sollte weitere anderthalb Jahrzehnte dauern, bis weitere Experimente die Korpuskeln zugunsten von Wellen endgültig widerlegten, aber das von Young entwickelte Doppelspaltexperimenterwies sich als fataler Schlag für Newtons Theorie.
Wie man das Doppelspaltexperiment durchführt
Young hat nicht gelogen, als sagte er, "Die Experimente, die ich gleich erzählen werde ... können mit großer Leichtigkeit wiederholt werden, wann immer die Sonne scheint, und ohne andere Geräte als die, die jeder zur Hand hat."
Obwohl es weit hergeholt wäre zu sagen, dass Sie das Doppelspaltexperiment verwenden können, um einige der eher kontraintuitiven Merkmale der Quantenmechanik zu demonstrieren es sei denn, Sie haben einen Photonendetektor zur Hand und einen Laser, der einzelne Photonen abschießt, können Sie es immer nochVerwenden Sie es, um die Wellennatur des Lichts zu demonstrieren.
Wenn Sie Youngs Experiment replizieren möchten, brauchen Sie nur eine möglichst große Schachtel mit einem Loch, das etwas kleiner als eine Karteikarte ist. Dann nehmen Sie ein Exacto-Messer oder eine ähnliche Klinge für feine Schneidearbeiten und schneiden Sie zweiSchlitze in ein Stück Pappe, das größer ist als das Loch in deiner Schachtel. Die Schlitze sollten zwischen 0,1 mm und 0,4 mm voneinander entfernt sein, denn je näher sie beieinander liegen, desto deutlicher wird das Interferenzmuster. Es ist besser, Karten dafür zu erstellenals direkt in die Schachtel zu schneiden, da Sie möglicherweise den Abstand der Schlitze anpassen müssen.
Sobald Sie mit dem Abstand zufrieden sind, befestigen Sie die Karte mit dem Doppelschlitz über dem Loch und sichern Sie sie mit Klebeband. Stellen Sie nur sicher, dass kein Sonnenlicht um die Karte herum eindringt.
Sie müssen auch einige Augenlöcher in der Schachtel machen, damit Sie hineinschauen können, ohne das Licht zu behindern, das auf die Doppelschlitzkarte trifft, aber sobald Sie das herausgefunden haben, sind Sie fertig.
Um das Sonnenlicht mit dieser Box genau zu beugen, muss das Sonnenlicht mehr oder weniger genau auf die Doppelschlitzkarte treffen, sodass es einige Manöver erfordern kann, um sie richtig zu positionieren.
Wenn dies der Fall ist, schauen Sie durch die Augenlöcher und Sie können das Interferenzmuster sehen, das sich an der Innenwand bildet, sowie verschiedene Farben, die entstehen, wenn die verschiedenen Wellenlängen, die sich gegenseitig stören, die Farbe des erzeugten Lichts ändern.
Wenn Sie es mit etwas Ausgefallenerem ausprobieren möchten, besorgen Sie sich einen Laserpointer aus einem Bürobedarfsgeschäft. Erstellen Sie, genau wie mit einer Sichtbox, Karten mit Schlitzen darin, und wenn Sie den richtigen Abstand haben, richten Sie einen einabgeschirmter Bereich, auf dem die Karte aufliegt.
Sie sollten sicherstellen, dass nur das Licht des Laserpointers auf den Doppelschlitz trifft, also schirmen Sie die Karte nach Bedarf ab. Stellen Sie dann den Laserpointer auf eine Fläche in Höhe der Schlitze und leuchten Sie mit dem LaserAn der Wand hinter der Karte sollte das Interferenzmuster der Schlitze deutlich sichtbar sein.
Wenn Sie sich nicht all diese Mühe machen möchten, können Sie den Effekt auch mit Photoshop oder einer ähnlichen Software nachbilden.
Erstellen Sie zuerst eine Vorlage aus gleichmäßig verteilten konzentrischen Kreisen. Verwenden Sie verschiedene Ebenen für jede Quelle sowie später einen Hintergrund und positionieren Sie die Mitte der konzentrischen Ringe nahe beieinander. Auf einer 1200 Pixel breiten Leinwand einen Abstand von 100Pixel zwischen den beiden Zentren sollten gut funktionieren.
Füllen Sie dann die Farbe jedes konzentrischen Rings abwechselnd hell und dunkel ein, wobei die Deckkraft auf etwa 33 % eingestellt ist. Möglicherweise müssen Sie eine der konzentrischen Kreisebenen ausblenden, während Sie an der anderen arbeiten. Wenn Sie fertig sind, offenbaren Sie die beiden überlappenden Schichten von Kreisen und das Interferenzmuster sollte Sie sofort anspringen und in etwa so aussehen:
Wenn Sie sich mit der Quantenmechanik vertiefen möchten, müssen Sie natürlich in einem ziemlich fortschrittlichen Physiklabor an einer Universität oder einem Wissenschaftsinstitut arbeiten, da Photonendetektoren nicht die Art von Dingen sind, die Sie auswählen könnenim Hobbyladen.
Dennoch, wenn Sie gezwungen sind, die schwereren Sachen selbst auszuprobieren, wären Sie nicht die erste Person, die aufgrund der Verrücktheit der Quantenmechanik in eine Karriere in der Physik gezogen wird, und es gibt definitiv schlechtere Wege, sie herzustellenein Leben.