Dobbeltspalte-eksperiment

Kvantemekanik

Introduktion  • Ordliste  • Historie Baggrund Bra-ket notation  • Gammel kvanteteori  • Hamilton-funktion  • Interferens  • Klassisk mekanik Grundlæggende koncepter Atommodel  • Bølgefunktion  • CPT-teoremet  • Bølgefunktionens kollaps  • Ikke-lokalitet  • Komplementaritet  • Dekohærens  • Kohærens  • Måling  • Sammenfiltring  • Spin  • Superposition  • Tunnelering  • Kvantespring  • Kvanteteleportation  • Kvantetilstand  • Partikel-bølge-dualitet  • Partikel i en boks  • Paulis udelukkelsesprincip  • Symmetri i kvantemekanik  • Ubestemthed  • Virtuel partikel Eksperimenter Bells tests  • Bose-Einstein-kondensat  • Dobbeltspalte  • Frank-Hertz  • Kvante Hall-effekten  • Mach-Zehnder  • Stern–Gerlach Formuleringer Born-Oppenheimer  • Hartree-Fock  • Heisenberg  • Interaktion  • Kurve-integraler  • Matrix-mekanik  • Relativistisk kvantemekanik  • Schrödinger Ligninger Dirac  • Klein–Gordon  • Pauli  • Rydberg  • Schrödinger Fortolkninger  • Københavnerfortolkningen  • de Broglie–Bohm  • Skjulte variabler  • Mange-verdens  • Schrödingers kat Avancerede emner Dc-squid  • Degenereret stof  • Josephson-kontakt  • Kvantecomputer  • Kvanteelektrodynamik  • Kvantefeltteori  • Kvantekaos  • Kvantekemi  • Kvantekromodynamik  • Kvanteoptik  • Kvante-statistisk mekanik  • Kvante-informationsteori  • Kvanteø  • Kvasipartikel  • Rapid single flux quantum  • Resonanstunneldiode  • Resonanstunneltransistor  • Single electron transistor  • Spredningsteori  • Tunneldiode  • Tæthedsmatrix Videnskabsmænd Bell  • Bogoljubov  • Bohm  • Bohr  • Born  • Bose  • de Broglie  • Compton  • Dirac  • Debye  • Ehrenfest  • Einstein  • Everett  • Fock  • Fermi  • Feynman  • Heisenberg  • Hilbert  • Jordan  • Kramers  • von Neumann  • Pauli  • Lamb  • Laue  • Planck  • Raman  • Rydberg  • Schrödinger  • Sommerfeld  • Weyl  • Wigner  • Zeeman  • Zeilinger

Animation af bølger som først går igennem én lodret (ind i artiklen) smal spalte - og dernæst to lodrette smalle spalter.

Bølgeinterferensen fra to lodrette (ind i artiklen) spalter kan ses på en lodret flade som konstruktive og destruktive superposition af bølgerne. Maxima giver lyse zoner og minima giver mørke zoner på den vippede skærm (optical screen) til højre.

Resultatet af dobbeltspalte-eksperimentet udført med enkeltvis sendte elektroner i 1989 af Dr. Tonomura et al. ved Hitachi i Japan. Illustrationen viser øjebliksbilleder med henholdsvis 10 (a), 200 (b), 6000 (c), 40000 (d), 140000 (e) elektroner.

Dobbeltspalte-eksperimentet eller tospalte-eksperimentet er et fysikeksperiment, hvor man sender subatomare partikler eller atomare partikler (f.eks. fotoner (lys), atomer eller elektroner) igennem en smal spalte – og ved siden af denne spalte er der endnu en. Efter spalten, rammer fotonerne eller elektronerne en skærm, hvor man kan se et interferensmønster af vekslende lyse og mørke zoner i forskellig bredde.

Det vigtige i dette eksperiment er, at mange regnede med, at der blot kom en lidt uklar lysplet på skærmen. Dette ville være tilfældet hvis fotonerne kun opførte sig klassisk, hvilket her vil sige som "golfbolde".

Til manges overraskelse dannes et interferensmønster på skærmen, hvilket mange fortolker som at de kvantemekaniske partikler udviser bølgeegenskaber. Faktisk kan man lave et kar med væske og en plade med 2 spalteåbninger og også her se et interferensmønster for overfladebølger der sendes gennem de 2 åbninger.

Eksperimentets vigtighed og lidt historie

Selvom dobbeltspalte-eksperimentet i dag oftest omtales indenfor kvantemekanik, som først blev udviklet i det 20. århundrede, blev det første gang udført af den engelske videnskabsmand Thomas Young omkring 1805 med hensigten at afklare om lys består af klassiske partikler (korpuskularteorien) eller består af bølger som breder sig gennem en æter ligesom lydbølger i luft.

Eksperimentets synlige interferensmønster så klart ud til at miskreditere korpuskularteorien, og bølgeteorien alene var accepteret indtil tidlig 20. århundrede, hvor der efterhånden var en del beviser på at lys bestod af partikler eller også besad partikelegenskaber.

Først i 1961 udførte Claus Jönsson fra Tübingens universitet et dobbeltspalte-eksperiment med elektroner. I 1974 udførte forskere ledet af Pier Giorgio Merli fra LAMEL-CNR Bologna i laboratoriet ved Milanos universitet et dobbeltspalte-eksperiment, hvor elektronerne blev sendt enkeltvis gennem eksperimentets bane. Dette er banebrydende eksperimenter og forklaring følger. Man formodede eller kunne ikke udelukke at fotoner og elektroner påvirkede hinanden gensidigt og det kunne være forklaringen på interferensmønsteret. Men det overraskende er, at selv om elektroner sendes enkeltvis gennem dobbeltspalte-eksperimentet, fås samme interferensmønster.

Eksperimentet i 1974 blev publiceret, men fik ikke megen opmærksomhed. Dobbeltspalte-eksperimentet blev udført igen i 1989 af Tonomura et al. ved Hitachi i Japan. Deres udstyr var bedre, mere præcist og elegant, og deres resultater stemte med Merlis teams.

I september 2002 blev Claus Jönssons dobbeltspalte-eksperiment stemt til at være det smukkeste eksperiment af Physics World læsere.

Forklaring af eksperimentet

Klik på billedet for større illustration.
Venstre tegningspalte: Tegningen viser en principskitse af Thomas Youngs oprindelige eksperiment. Spalternes (eng. slits) retning er ind i skærmen i kassen (ovenfor den blå vandrette dobbeltdelelinje) - og skærmen nedenfor vises drejet så den er i spalternes lodrette retning - men venstre spaltes skærm viser ikke dobbeltspalte-eksperimentets resultat - blot at her placeres det.
Højre tegningspalte: De to øverste tegninger viser skærmmønsteret under de lilla delelinjer med hver kun en åben spalte. Den nederste tegning viser Thomas Youngs dobbeltspalte-eksperiment. De to rektangler med lilla tekst viser de to mulige udfald; hvis lyspartiklerne opfylder bølgeteorien (eng. wave theory) - og det andet udfald; hvis lyspartiklerne opfylder den klassiske partikelteori (eng. particle theory). Thomas Youngs dobbeltspalte-eksperiment viste interferensmønsteret (rektangel med blå tekst) og derfor at det er bølgeteorien der gjaldt (eng. observed).

I Thomas Youngs originale eksperiment, blev sollys først sendt gennem én spalte og dernæst gennem de næste to spalter – og interferensmønsteret kan nu observeres på skærmen.

Lige meget hvilken en af de sidste to spalter der dækkes, vil det resultere i at der observeres en lysplet.

Men når de 2 sidste spalter begge er åbne vil interferensmønsteret observeres.

Kan fotoner på forhånd mærke interferens?

I 1978 fremkom John Wheeler med en hypotese om, at fotonen muligvis kunne "mærke" om den senere ville blive udsat for interferens. På baggrund af denne hypotese lavede Jean-François Roch og kolleger ved École Normale Supérieure de Cachan et eksperiment offentliggjort i 2007, som har afgjort, at fotonen ikke på forhånd kan "mærke" om den senere vil blive udsat for interferens.

Eksperiment med kvantemekanisk interferens i tiden

En nyere udgave af dobbeltspalte-eksperimentet med kvantemekanisk interferens i tiden, blev udført i 2005.

Kilder/referencer

• Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics, 5th ed., W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0810-8.
• Gribbin, John (1999). Q is for Quantum: Particle Physics from A to Z. Weidenfeld & Nicholson. ISBN 0-7538-0685-1.
• Feynman, Richard P. (1988). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. ISBN 0-691-02417-0.

Eksterne henvisninger

• Wikimedia Commons har flere filer relateret til Dobbeltspalte-eksperiment

• Video om dobbeltspalte-eksperimentet Arkiveret 27. december 2019 hos Wayback Machine
• 01 Sep 2002, physicsweb.org: The Double Slit Experiment Arkiveret 6. august 2004 hos Wayback Machine
• Nov 26, 2013, physicsworld.com: Physicists ask photons 'Where have you been?' Arkiveret 26. juli 2017 hos Wayback Machine
• Dec 1, 2014, physicsworld.com: SOLEIL scientists create double-slit thought experiment Arkiveret 9. februar 2018 hos Wayback Machine