آزمایش دو شکاف در فضا-زمان.

ریچارد فاینمن، پدر الکترودینامیک کوانتومی یا “OED”، به اهمیت آزمایش دو شکاف تامپسون پی برد زیرا احساس می کرد که بررسی دقیق پیامدهای آن به درک کامل دوگانگی وجود موج-ذره پیش بینی شده توسط مکانیک کوانتومی منجر می شود. .

با این حال، یکی من میتوانم آن را از نظر خواص کلاسیک مکانیک موجی و جهان فضا-زمان تعریف شده توسط اینشتین درک کنید.

آزمایش دو شکاف شامل یک منبع منسجم از فوتون ها است که پس از عبور از یک صفحه نازک با دو شکاف موازی، صفحه ای را روشن می کند. خواص موجی آنها باعث می شود پس از عبور از دو شکاف تداخل پیدا کنند و الگوی تداخلی از نوارهای روشن و تاریک روی صفحه نمایش ایجاد کنند. با این حال، در صفحه نمایش، نور همیشه به عنوان ذرات منفرد به نام فوتون جذب می شود.

هنگامی که فقط یک شکاف باز است، الگوی روی صفحه یک الگوی پراش است، اما زمانی که هر دو شکاف باز هستند، الگوی مشابه است اما بسیار دقیق‌تر است. این حقایق توسط توماس یانگ در مقاله ای با عنوان “آزمایش ها و محاسبات مربوط به اپتیک فیزیکی” که در سال 1803 منتشر شد، توضیح داد و نوشت: “این نتایج را می توان تا حد زیادی با موفقیت با روش اصل هویگنز-فرنل توضیح داد. بر اساس این فرضیه است که نور از امواجی تشکیل شده است که در یک محیط منتشر می شوند.

با این حال، کشف اثر فوتوالکتریک، فراتر از فیزیک کلاسیک و در نظر گرفتن ماهیت کوانتومی نور را ضروری کرد.

یک تصور اشتباه رایج این است که وقتی هر دو شکاف باز هستند، اما یک آشکارساز اضافه می‌شود تا مشخص شود فوتون از کدام یک از آنها عبور کرده است، الگوی تداخل دیگر تشکیل نمی‌شود و دو الگوی ساده، یکی از هر شکاف، بدون تداخل به دست می‌دهد.

این به این دلیل است که روش هایی برای تعیین شکاف وجود دارد که در آن الگوی اغتشاش اصلاح می شود اما به طور کامل پاک نمی شود. به عنوان مثال، با قرار دادن یک اتم در موقعیت هر شکاف و مشاهده اینکه آیا یکی از آن اتم ها تحت تأثیر فوتون عبوری از آن قرار می گیرد، الگوی اغتشاش تغییر می کند اما به طور کامل پاک نمی شود.

اما گیج‌کننده‌ترین بخش این آزمایش زمانی اتفاق می‌افتد که هر بار فقط یک فوتون به مانعی با دو شکاف باز برخورد می‌کند، زیرا یک الگوی تداخلی شکل می‌گیرد که شبیه همان چیزی است که وقتی فوتون‌های متعدد به مانع برخورد می‌کردند. این یک نتیجه واضح است که ذره ای به نام فوتون دارای یک جزء موجی است که به طور همزمان از هر دو شکاف عبور می کند و با خودش تداخل می کند. (این آزمایش با الکترون‌ها، اتم‌ها و حتی برخی مولکول‌ها کار می‌کند.)

بسیاری بر این باورند که اهمیت این آزمایش در این است که هم دوگانگی خواص موجی و ذرات فوتون ها و هم مفاهیم برهم نهی و تداخل کوانتومی را نشان می دهد.

با این حال، می‌توان این آزمایش را از نظر ویژگی‌های موج کلاسیک و نسبیت درک کرد، زیرا آنها به ما می‌گویند که یک موج الکترومغناطیسی به طور پیوسته در فضا-زمان حرکت می‌کند، مگر اینکه توسط کسی که آن را مشاهده می‌کند یا چیزی که با آن تعامل دارد، مانع شود. این باعث می شود که انرژی آن در فضای سه بعدی محدود شود. علم مکانیک موج نیز به ما می گوید که “دیوارهای” سه بعدی این محصور باعث می شود که انرژی آن به خود منعکس شود، بنابراین یک موج ایستاده تشدید کننده در فضای سه بعدی ایجاد می کند. این باعث می شود انرژی آن در نقطه ای از فضا متمرکز شود که در آن ذره ای پیدا شود. علاوه بر این، مکانیک موج همچنین به ما می‌گوید که انرژی یک سیستم تشدید، مانند یک موج ایستاده، که این محصور شدن ایجاد می‌کند، فقط می‌تواند مقادیر گسسته یا کوانتیزه‌شده مربوط به بنیادی یا هارمونیک فرکانس بنیادی آن را بگیرد.

علاوه بر این، همچنین به ما می گوید که یک ذره حجم گسترده ای برابر با طول موج مرتبط با موج ایستاده آن خواهد داشت.

(توجه داشته باشید که محدودیت ها یا “دیوارهای” محصور شدن آن توسط خواص موج آن تعیین می شود. اگر یک موج الکترومغناطیسی از حرکت در فضا جلوگیری شود، به خود بازتاب می کند. با این حال، این موج بازتابی هنوز نمی تواند در فضا حرکت کند بنابراین به عقب منعکس می‌شود و موجی ایستاده ایجاد می‌کند. به عبارت دیگر، خود موج مرزهای خود را مشخص می‌کند، زیرا اگر نتواند در فضا حرکت کند، باید به عنوان یک موج ایستاده در جای خود بماند.)

در زبان مکانیک کوانتومی، زمانی که یک موج الکترومغناطیسی از حرکت در فضا با مشاهده یا برخورد با یک جسم جلوگیری می‌کند، «فروپاشی‌های» آن موجی را تشکیل می‌دهند که انرژی کوانتومی را که مکانیک کوانتومی با یک ذره مرتبط می‌کند، مشخص می‌کند.

این نشان می دهد که چرا الگوی تداخل زمانی که یک فوتون در یک زمان به مانع با دو شکاف باز شلیک می شود، باقی می ماند، یا “گیج کننده ترین بخش این آزمایش” این است که، همانطور که قبلا ذکر شد، از یک موج الکترومغناطیسی تشکیل شده است. بنابراین حجم گسترده ای را اشغال می کند که مستقیماً با طول موج آن مرتبط است.

این بدان معنی است که اگر قطر حجم آن از جدایش شکاف بیشتر شود، مقداری از انرژی آن می تواند به طور همزمان از هر دو شکاف عبور کند و در طرف دیگر ترکیب شود تا یک الگوی تداخلی ایجاد کند.

با این حال، اگر انرژی آن از طریق تماس با صفحه از حرکت در فضا جلوگیری شود، در فضای سه بعدی محدود می شود و باعث می شود که در یک موج ایستاده متمرکز شود، که همانطور که قبلا ذکر شد، انرژی فوتون را تعیین می کند. صفحه نمایش

علاوه بر این، از آنجایی که انرژی موج ایستاده، که قبلا برای تعیین خواص کوانتومی یک فوتون نشان داده شده بود، به فرکانس آن بستگی دارد، انرژی ذره هنگام تماس با صفحه نمایش باید انرژی یکسانی داشته باشد. بنابراین، جایی که روی صفحه نمایش داده می‌شود، بر اساس جایی که تداخل ویژگی‌های موج از هر شکاف برای تولید انرژی کافی برای پشتیبانی از موج ایستاده مرتبط با ویژگی‌های ذرات آن ترکیب می‌شود، تعیین می‌شود.

این همچنین توضیح می‌دهد که چرا الگوی تداخل ناپدید می‌شود، در بیشتر موارد وقتی آشکارساز اضافه می‌شود تا مشخص کند فوتون از کدام شکاف عبور می‌کند، به این دلیل است که انرژی مورد نیاز برای اندازه‌گیری باعث می‌شود طول موج مورد اندازه‌گیری تغییر کند، به طوری که تغییر نمی‌کند. دارای ویژگی های تشدید مشابهی هستند که از شکاف دیگر عبور کرده است. بنابراین، انرژی عبوری فکر می‌کند که این شکاف در بیشتر موارد قادر به تعامل با انرژی عبوری از دیگری نخواهد بود و هیچ الگوی تداخلی شکل نخواهد گرفت.

با این حال، این همچنین توضیح می دهد که چرا همانطور که قبلاً ذکر شد، «راه هایی برای تعیین اینکه انرژی فوتون از کدام شکاف عبور کرده است وجود دارد که باعث تغییر در الگوی اغتشاش می شود، اما آن را به طور کامل از بین نمی برد.

دلیل این امر این است که اگر انرژی عبوری از یکی از دو شکاف در مقایسه با آنچه که در ابتدا بود، نسبتاً کمی تغییر کند، مکانیک موج کلاسیک به ما می‌گوید که می‌تواند برای تشکیل یک ساختار تشدید کمی متفاوت تعامل داشته باشد. با الگوی اغتشاش کمی متفاوت در طرف دیگر نسبت به حالتی که اگر اندازه گیری انجام نشود.

با این حال، این نیز به معنای یک چیز است باید توانایی استفاده از علم مکانیک موج و خواص فیزیکی فضا-زمان برای تعیین کمیت حداکثر انرژی که یک دستگاه اندازه‌گیری می‌تواند از یک موج در حین عبور از یک شکاف بگیرد، که به الگوی اغتشاش اجازه می‌دهد، هرچند تا حدودی اصلاح شود. ، مجدداً در طرف دیگر تأسیس شود.

به عنوان مثال، اگر تفسیر فوق از آزمایش دو شکاف درست باشد، باید بتوان از علم مکانیک موج برای محاسبه انرژی مورد نیاز برای ایجاد یک تغییر خاص در تداخل استفاده کرد و تعیین کرد که آیا با انرژی گرفته شده از آن مطابقت دارد یا خیر. سیستم از تجهیزات تشخیص

این فراهم می کند روش تجربی برای تعیین اینکه آیا نتایج آزمایش دو شکاف تامپسون به دلیل خواص فیزیکی فضا-زمان است یا خواص کوانتومی تابع موج، زیرا اگر الگوی بالای این مقدار ناپدید شود و دوباره در زیر آن ظاهر شود، حدس می زنم توضیحات بالا معتبر است اگر اینطور نیست حدس می زنم مکانیک کوانتومی است.

توضیح اینشتین از غیرقابل توضیح