Կրկնակի ճեղքով փորձ

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից

Կրկնակի ճեղքով փորձ, լույսի և նյութի և՛ մասնիկային, և՛ ալիքային բնույթը ցույց տվող փորձ, որը երևան է հանում նաև քվանտային մեխանիկայի՝ հիմնապես հավանակային բնույթը։ Երբեմն այս փորձը անվանում են նաև Յունգի ինտերֆերենցիայի փորձ[1]։ Այս փորձը դասվում է «կրկնակի ճեղքով» փորձերի շարքին, որոնցում ալիքը բաժանվում է երկու առանձին ալիքների, որոնք հետո վերամիավորվում են որպես մեկ ալիք։ Երկու ալիքների ճանապարհների երկարությունների փոփոխությունը հանգեցնում է փուլի շեղման՝ առաջացնելով ինտերֆերենցիոն պատկեր։ Մի այլ փորձ է Մախ-Ցենդերի ինտերֆերամետրը, որը փունջը բաժանում է հայելու միջոցով։

Այս փորձի հիմնական տարբերակում լույսի կոհերենտ աղբյուրը, ինչպես օրինակ լազերային փունջը, ուղղվում է երկու զուգահեռ ճեղք ունեցող հարթությանը, և լույսը, անցնելով ճեղքերով, հարթության հետևում դրված էկրանին հետք է թողնում[2][3]։ Լույսի ալիքային բնույթի պատճառով երկու ճեղքերով անցնող լուսային ալիքները ինտերֆերենցվում են՝ էկրանին առաջացնելով լուսավոր և մութ գոտիներ։ Այս արդյունքը չէր լինի, եթե լույսը բաղկացած լիներ դասական մասնիկներից[2][4]։ Սակայն լույսը էկրանի վրա միշտ կլանվում է դիսկրետորեն, ինչպես առանձին մասնիկների (ոչ ալիքների) դեպքում, ինտերֆերենցիոն պատկերը երևում է այս մասնիկների՝ էկրանին հարվածելու խտությունների փոփոխությամբ [5]։ Ավելին, ճեղքերի վրա դրված դետեկտորներով անցկացված փորձերը ցույց են տալիս, որ յուրաքանչյուր ֆոտոն անցնում է միայն մեկ ճեղքով (ինչպես կանցներ դասական մասնիկը), ոչ թե միաժամանակ երկուսով (ինչպես կանցներ ալիքը) [6][7] [8] [9] [10]։ Այս արդյունքները ի ցույց են դնում մասնիկ-ալիքային երկվության սկզբունքը[11][12]։

Ատոմային սանդղակի այլ մասնիկներ, ինչպես էլեկտրոնը, նույն վարքն են հանդես բերում կրկնակի ճեղքով անցնելիս[3]։ Բացի այդ, առանձին դիսկրետ հարվածները էապես հավանակային վարք են ցույց տալիս, ինչն անընդունելի է դասական մեխանիկայի պատկերացումներով[3]։

Այս փորձը կարելի է իրականացնել էլեկտրոնից և պրոտոնից շատ ավելի մեծ մասնիկների համար, սակայն մեծ չափերի դեպքում դժվար է դառնում։ Ամենամեծ մասնիկները, որոնցով կատարվել են կրկնակի ճեղքով փորձեր, 810 ատոմից բաղկացած մոլեկուլներ են եղել[13][14] (որոնց ընդհանուր զանգվածը ավելի քան 10,000 զանգվածի ատոմական միավոր է)։

Հիմնական նկարագիրը[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Կրկնակի ճեղքով փորձից ստացված պատկեր (ճեղքերի հեռավորությունը 0.7 մմ է)։ Վերևի նկարում ճեղքերից մեկը փակվել է։ Մեկ ճեղքով փորձում դրֆրակցիոն պատկերը ձևավորվում է ճեղքի՝ զրոյից տարբեր լայնության պատճառով։ Դիֆրակցիոն պատկեր է ստացվում նաև կրկնակի ճեղքի դեպքում, սակայն կրկնակի ինտենսիվությամբ և հավելյալ՝ ավելի փոքր ինտերֆերենցիոն օղակներով։

Եթե լույսը բաղկացած լիներ սովորական կամ դասական մասիկներից, այդ մասնիկները ուղիղ գծով ճեղքի միջով էկրանին ուղղելով՝ պետք է տեսնեինք ճեղքի չափերին և ձևին համապատասխանող պատկեր։ Սակայն մի ճեղքով անցկացրած փորձը ցույց է տալիս, որ էկրանին նկարվում է դիֆրակցիոն պատկեր։ Որքան փոքր է ճեղքը, այնքան մեծ է ցրման անկյունը։ Աջում պատկերված նկարի վերևում ցույց է տրված դիֆրակցիոն պատկերի կենտրոնական մասը, երբ կարմիր լազերով լուսավորվել է ճեղքը։ Ուշադիր նայելիս երևում են գոտիների երկու թույլ ճյուղեր։ Ավելի կատարյալ սարքով իրականացված փորձում ավելի շատ գոտիներ են երևում։ Դիֆրակցիան բացատրում է պատկերները որպես ճեղքով անցած լուսային ալիքների ինտերֆերենցիայի հետևանք։

Երկու զուգահեռ ճեղքերը ավելի ինտենսիվ կարմիր լազերով լուսավորելով՝ կրկին կունենանք ինտերֆերենցիա, այս անգամ՝ երկու ճեղքով։ Այս դեպքում ինտերֆերենցիոն պատկերն ավելի վառ է՝ լուսավոր և մութ գոտիների տեսքով։ Գոտիների լայնությունը պայմանավորված է լույսի հաճախությամբ։ Երբ Թոմաս Յունգը (1773–1829 թթ․) առաջին անգամ ցույց տվեց այս երևույթը, դրանով մատնանշվեց, որ լույսը կազմված է ալիքներից, քանի որ տարբեր պայծառությունների բաշխումը բացատրվում էր ալիքային ճակատիների մարող կամ ուժեղացնող վերադրումներով՝ ինտերֆերենցիայով[15]։ Վաղ 1800-ականներին արված Յունգի փորձը էական դեր խաղաց լույսի ալիքային տեսության ճանաչման համար՝ հաղթելով Իսահակ Նյուտոնի առաջ քաշած՝ լույսի մասնիկային տեսությանը, որը 17-րդ և 18-րդ դարերում ընդունված էր որպես լույսի տարածման մոդել։ Սակայն ավելի ուշ հայտնաբերված ֆոտոէֆեկտը ցույց տվեց, որ այլ պայմաններում լույսը կարող է դրսևորել իրեն որպես դիսկրետ մասնիկներից բաղկացած երևույթ։ Այս թվացյալ հակասական հայտնագործությունները անհրաժեշտություն ստեղծեցին դասական ֆիզիկայի սահմաններն անցնելու և լույսի քվանտային բնույթը հաշվի առնելու անհրաժեշտություն։

Կրկնակի ճեղքով փորձը (և դրա տարբերակները) դարձավ դասական մտային փորձ, քանի որ հստակ արտահայտում է քվանտային մեխանիկայի հիմնական թնջուկները։ Քանի որ այն ի ցույց է դնում փորձի արդյունքները կանխատեսելու դիտորդի կարողությունների հիմնարար սահմանափակումը, Ռիչարդ Ֆեյնմանն այն անվանել է «մի երևույթ, որն անհնար է․․․ […] որևէ կերպ բացատրել դասական ճանապարհով և որը քվանտային մեխանիկայի սիրտն է։ Իրոք, դրա մեջ է քվանտային մեխանիկայի միակ առեղծվածը»[3]։ Ֆեյնմանը սիրում էր կրկնել, որ ամբողջ քվանտային մեխանիկան կարելի է «հավաքել»՝ այս եզակի փորձի հետևանքները խնամքով կշռադատելով[16]։ Ֆեյնմանը նաև կռահել է (որպես մտային փորձ), որ եթե յուրաքանչյուր ճեղքի դիմաց դետեկտորներ տեղադրվեն, ինտերֆերենցիոն պատկերը կանհետանա[17]։

Ծանոթագրություններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  1. Անկասկած, արևի լույսի միջոցով օպտիկական ինտերֆերենցիան ցույց տվող Յունգի փորձը էական դեր խաղաց լույսի ալիքային բնույթի ճանաչման մեջ, սակայն հայտնի չէ հաստատապես՝ արդյոք նա իրականացրել է երբևէ փորձը կրկնակի ճեղքով։
    • Robinson, Andrew (2006). The Last Man Who Knew Everything. New York, NY: Pi Press. էջեր 123–124. ISBN 0-13-134304-1. 
  2. 2,0 2,1 Lederman, Leon M.; Christopher T. Hill (2011). Quantum Physics for Poets. US: Prometheus Books. էջեր 102–111. ISBN 1616142812. https://books.google.am/books?id=qY_yOwHg_WYC&pg=PA102. 
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Feynman, Richard P.; Robert B. Leighton; Matthew Sands (1965). The Feynman Lectures on Physics, Vol. 3. US: Addison-Wesley. ISBN 0201021188. 
  4. Feynman, 1965, p. 1.5
  5. Darling David (2007)։ «Wave–Particle Duality»։ The Internet Encyclopedia of Science։ The Worlds of David Darling։ Վերցված է 2008-10-18 
  6. Feynman, 1965, p. 1.7
  7. Lederman, 2011, p. 109
  8. "...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..." Müller-Kirsten, H. J. W. (2006). Introduction to Quantum Mechanics: Schrödinger Equation and Path Integral. US: World Scientific. էջեր 14. ISBN 9812566910. https://books.google.am/books?id=p1_Z81Le58MC&pg=PA14. 
  9. Plotnitsky, Arkady (2012). Niels Bohr and Complementarity: An Introduction. US: Springer. էջեր 75–76. ISBN 1461445175. https://books.google.am/books?id=dmdUp97S4AYC&pg=PA75. 
  10. Երբ մենք փորձը կազմակերպում ենք՝ որոշելու համար, թե որ ճեղքով անցավ ֆոտոնը, թվում է, թե լույսը անցնում է մեկ կամ մյուս ճեղքով, սակայն երբ ինտերֆերենցիոն փորձ ենք անցկացնում, լույսը երկու ճեղքերով անցնում է ալիքի տեսքով։

    Rae, Alastair I. M. (2004). Quantum Physics: Illusion Or Reality?. UK: Cambridge University Press. էջեր 9–10. ISBN 1139455273. https://books.google.am/books?id=FVtMqukQ6g4C&pg=PA9. 
  11. The Feynman Lectures on Physics "There is one lucky break, however— electrons behave just like light.".
  12. Տես Դեյվիսոն-Ջերմերի փորձ (1928) «Էլեկտրոնների դիֆրակցիան նիկելի բյուրեղից» Bell Labs Technical Journal 7:90-105
  13. "Physicists Smash Record For Wave-Particle Duality"
  14. Eibenberger Sandra և այլք: (2013)։ «Matter-wave interference with particles selected from a molecular library with masses exceeding 10000 amu»։ Physical Chemistry Chemical Physics 15: pp. 14696–14700։ Bibcode:2013PCCP...1514696E։ arXiv:1310.8343։ doi:10.1039/C3CP51500A 
  15. Feynman, Richard P.; Robert Leighton; Matthew Sands (1965). The Feynman Lectures on Physics, Volume III. Massachusetts, USA: Addison-Wesley. էջեր 1–1 to 1–9. ISBN 0-201-02118-8P. 
  16. Greene, Brian (1999). The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. New York: W.W. Norton. էջեր 97–109. ISBN 0-393-04688-5. 
  17. Feynman, 1965, chapter 3