Эксперимент Томаса Юнга, который повлиял на развитие науки
Английский ученый Томас Юнг в XVIII веке провел необычный эксперимент, который полностью изменил представление о мире. Рассказываем, как результаты опыта повлияли на дальнейшее развитие науки.
Grazia
Суть эксперимента заключается в том, что на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого установлен другой, проекционный экран, направляют пучок света. Особенность прорезей заключается в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. Логично было бы предположить, что фотоны должны проходить сквозь щели, создавая две параллельные полосы света на заднем экране. Но вместо этого свет распространяется в виде полос, в которых чередуются участки света и темноты, то есть свет ведет себя как волна. Это явление называется «интерференция», и именно его демонстрация Томасом Юнгом стала доказательством справедливости волновой теории.
Переосмысление этого эксперимента могло бы объединить квантовую механику с другой опорой теоретической физики, общей теорией относительности Эйнштейна, — вызов, который до сих пор остается неразрешимым на практике.
Для того чтобы вычислить вероятность появления фотона в том или ином месте на экране, физики используют принцип под названием «правило Борна». Тем не менее, для этого нет никаких причин — эксперимент всегда проходит одинаково, но никто не знает почему. Некоторые энтузиасты пытались объяснить этот феномен из интерпретации квантовомеханической теории о «множественных мирах», в которой предполагается, что все возможные состояния квантовой системы могут существовать в параллельных вселенных, но эти попытки ни к чему не привели.
Это обстоятельство позволяет использовать правило Борна как доказательство наличия в квантовой теории нестыковок. Для того чтобы объединить квантовую механику, которая оперирует Вселенной в узких временных масштабах, и общую теорию относительности, которая работает с огромными промежутками времени, одна из теорий должна уступить дорогу.
Куотч предложил новый способ проверить правило Борна. Он исходил из идеи физика Фейнмана: для того, чтобы вычислить вероятность возникновения частицы в той или иной точке экрана, вы должны учитывать все возможные пути, по которым это может произойти, даже если они кажутся смешными. «Учитывается даже та вероятность, что частица долетит до Луны и вернется», — говорит Куотч. Практически ни один из путей не повлияет на окончательное местоположение фотона, но некоторые, весьма необычные, могут в конечном итоге изменить его координаты. К примеру предположим, что у нас есть три пути, благодаря которым частица может пролететь сквозь экран, вместо двух очевидных.
Джеймс показал, что, если учитывать все возможные отклонения, то итоговая вероятность того, что фотон угодит в точку Х, будет отличаться от результата, который предполагает правило Борна. Он предложил использовать в качестве третьего пути блуждающий зигзаг: так, частица проходит сначала сквозь левое отверстие, затем сквозь правое, и лишь затем направляется к экрану. Если третий путь препятствует первым двум — изменится и результат вычислений. Работа Куотча вызвала большой интерес, и Анинда Синха в Индийском институте науки в Бангалоре — член команды, которая впервые предложила использовать для опровержения правила Борна извилистые, «нетрадиционные» пути, — с ней полностью согласен. Однако ученый указывает и на то, что существует слишком много неучтенных вероятностей, чтобы сейчас можно было говорить о чистоте эксперимента.
Источник: Men’s Health
Опыт Юнга может перевернуть наше представление о реальности
Традиционный эксперимент в области физики может скрывать в себе знания о природе реальности, о которых мы и не догадывались. Классический опыт Юнга, известный также как «эксперимент на двух щелях», в свое время стал доказательством волновой теории света. Но на самом деле он бросает вызов одному из самых известных и изученных предположений квантовой механики.
Василий Макаров
Суть эксперимента заключается в том, что на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого установлен другой, проекционный экран, направляют пучок света. Особенность прорезей заключается в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. Логично было бы предположить, что фотоны должны проходить сквозь щели, создавая две параллельные полосы света на заднем экране.
Но вместо этого свет распространяется в виде полос, в которых чередуются участки света и темноты, то есть свет ведет себя как волна. Это явление называется «интерференция», и именно его демонстрация Томасом Юнгом стала доказательством справедливости волновой теории. Переосмысление этого эксперимента могло бы объединить квантовую механику с другой опорой теоретической физики, общей теорией относительности Энштейна, — вызов, который до сих пор остается неразрешимым на практике.
Для того, чтобы вычислить вероятность появления фотона в том или ином месте на экране, физики используют принцип под названием «правило Борна». Тем не менее, для этого нет никаких причин — эксперимент всегда проходит одинаково, но никто не знает почему. Некоторые энтузиасты пытались объяснить этот феномен из интерпретации квантово-механической теории о «множественных мирах», в которой предполагается, что все возможные состояния квантовой системы могут существовать в параллельных вселенных, но эти попытки ни к чему не привели.
Это обстоятельство позволяет использовать правило Борна как доказательство наличия в квантовой теории нестыковок. Для того, чтобы объединить квантовую механику, которая оперирует Вселенной в узких временных масштабах, и общую теорию относительности, которая работает с огромными промежутками времени, одна из теорий должна уступить дорогу. Если же правило Борна неверно, то это будет первый шаг к изучению квантовой гравитации. «Если правило Борна будет нарушено, что будет нарушена и фундаментальная аксиома квантовой механики, и мы узнаем, где следует искать ответ на теории о квантовой гравитации», говорит Джеймс Куотч из Института науки и техники в Испании.
Куотч предложил новый способ проверить правило Борна. Он исходил из идеи физика Фейнмана: для того, чтобы вычислить вероятность возникновения частицы в той или иной точке экрана, вы должны учитывать все возможные пути, по которым это может произойти, даже если они кажутся смешными. «Учитывается даже та вероятность, что частица долетит до Луны и вернется обратно», говорит Куотч.
Джеймс показал, что, если учитывать все возможные отклонения, то итоговая вероятность того, что фотон угодит в точку Х, будет отличаться от результата, который предполагает правило Борна. Он предложил использовать в качестве третьего пути блуждающий зигзаг: так, частица проходит сначала сквозь левое отверстие, затем сквозь правое, и лишь затем направляется к экрану. Если третий путь препятствует первым двум — изменится и результат вычислений. Работа Куотча вызвала большой интерес, и Анинда Синха в Индийском институте науки в Бангалоре — член команды, которая впервые предложила использовать для опровержения правила Борна извилистые, «нетрадиционные» пути, — с ней полностью согласен.
Этот месяц в истории физики. В 17 веке Исаак Ньютон считал, что свет состоит из потока корпускул. В то время несколько ученых, в первую очередь голландский физик и астроном Христиан Гюйгенс, думали, что свет — это волна, вибрирующая в каком-то эфире.
На обе фотографии были улики. Например, звук, известный тогда как волна, может проходить по кривым трубам и огибать углы, а свет — нет, и этот факт был принят в качестве доказательства корпускулярной теории света. Но такие явления, как преломление, было трудно объяснить с помощью корпускулярной теории. Ньютону пришлось призвать необъяснимую силу, которая изменила скорость света в воде. Ньютон был также заинтригован и озадачен цветными полосами в мыльных пленках, но придерживался корпускулярной теории, несмотря на ее трудности.
Ньютон был настолько почитаем как ученый, что никто не мог оспорить его теорию. В 1801 году Томас Юнг бросил серьезный вызов представлениям Ньютона о природе света.
Янг был настоящим эрудитом, его интересы варьировались от физики до египтологии. Он родился в 1773 году в Милвертоне, на юго-западе Англии, в большой семье квакеров. В детстве он был вундеркиндом, научился читать к двум годам и выучил латынь в шесть лет.
Он начал изучать медицину в 1792, и был избран в Королевское общество в 1794 году. Он также интересовался чистой наукой. В 1801 году Янг был назначен лектором в недавно созданном Королевском институте в Лондоне, где он прочитал серию лекций на самые разные темы.
В рамках своих медицинских исследований Янг препарировал бычий глаз, чтобы выяснить, как глаз фокусируется на объектах на разных расстояниях. Он также предложил теорию цветового зрения. Кроме того, он был очарован языками и защитил диссертацию о человеческом голосе, в которой придумал алфавит из 47 букв, охватывающий все человеческие звуки.
Его исследования глаза и уха естественным образом привели к его интересу к изучению звука и света.
Янг впервые прочитал «Оптику» Ньютона в 1790 году в возрасте 17 лет и восхищался работами Ньютона. К 1800 году Янг увидел некоторые проблемы с корпускулярной теорией Ньютона. Например, он заметил, что на границах раздела между воздухом и водой часть света отражается, а часть преломляется, но корпускулярная теория не может легко объяснить, почему это происходит. Янг отметил, что корпускулярная теория также не может объяснить, почему разные цвета света преломляются в разной степени.
Известно, что звук представляет собой волну сжатия в воздухе; Янг думал, что свет может быть похожим. Он заметил, что когда две звуковые волны пересекаются, они интерферируют друг с другом, создавая биения. Хотя он не стал сразу же искать оптический эквивалент биений, он начал понимать, что свет также может проявлять интерференционные явления.
В мае 1801 года, обдумывая некоторые эксперименты Ньютона, Янг пришел к основной идее ныне известного эксперимента с двумя щелями для демонстрации интерференции световых волн.
Демонстрация предоставила бы веские доказательства того, что свет — это волна, а не частица.
В первой версии эксперимента Янг использовал не две прорези, а одну тонкую карту. Он закрыл окно листом бумаги с крошечной дыркой. Через отверстие прошел тонкий луч света. Он держал карту в луче света, разделив луч на две части. Свет, проходящий с одной стороны карты, мешал свету с другой стороны карты, создавая полосы, которые Янг наблюдал на противоположной стене.
Янг также использовал свои данные для расчета длин волн различных цветов света, что очень близко к современным значениям.
В ноябре 1801 года Янг представил Королевскому обществу свою статью под названием «К теории света и цвета». В этой лекции он описал интерференцию световых волн и щелевой эксперимент. Он также провел аналогию со звуковыми волнами и водными волнами и даже разработал демонстрационный волновой резервуар, чтобы показать интерференционные картины в воде.
Несмотря на убедительный эксперимент Янга, люди не хотели верить, что Ньютон ошибался.
«Как бы я ни почитал имя Ньютона, я не обязан поэтому верить, что он был непогрешимым», — писал Янг в ответ одному критику. Разочарованный реакцией на свои исследования света, Янг решил сосредоточиться на медицине, хотя как врач он никогда не добился больших успехов. Он проделал дополнительную работу по физике, и в 1807 г. Янг опубликовал некоторые из своих лекций, в том числе вариант интерференционного эксперимента с двумя щелями.
Перед своей смертью в мае 1829 года Янг участвовал в расшифровке Розеттского камня и написал множество статей для Британской энциклопедии по широкому кругу вопросов, включая мост, столярное дело, хроматику, Египет, языки, приливы, вес и меру.
Базовая установка с двумя щелями, предложенная Янгом, с тех пор использовалась не только для демонстрации того, что свет ведет себя как волна, но и для демонстрации того, что электроны могут вести себя как волны и создавать интерференционные картины. С момента развития квантовой механики физики знают, что свет — это и частица, и волна, а не просто одно или другое.
Эксперимент Томаса Янга с двумя щелями — Учебное пособие по Java
В 1801 году английский физик по имени Томас Янг провел эксперимент, который подтвердил волнообразную природу света. Поскольку он полагал, что свет состоит из волн, Янг рассудил, что при встрече двух световых волн может произойти какое-то взаимодействие. В этом интерактивном учебном пособии показано, как когерентные световые волны взаимодействуют при прохождении через две близко расположенные щели.
Учебник начинается с того, что солнечные лучи проходят через одну щель в экране для получения когерентного света. Затем этот свет проецируется на другой экран с двойными (или двойными) щелями, которые снова преломляют падающее освещение при прохождении. Результаты интерференции дифрагированных световых лучей можно представить в виде распределения интенсивности света на темной пленке. Ползунок с цифрой Расстояние между щелями можно использовать для изменения расстояния между щелями и создания соответствующих изменений в картинах распределения интенсивности интерференции.
Эксперимент Юнга был основан на гипотезе о том, что если свет имеет волнообразную природу, то он должен вести себя подобно ряби или волнам на воде в пруду. Там, где встречаются две противоположные водные волны, они должны реагировать особым образом, усиливая или уничтожая друг друга. Если две волны идут в ногу (гребни встречаются), то они должны объединиться, чтобы образовать большую волну. Напротив, когда встречаются две волны, которые идут не в ногу (гребень одной встречается с впадиной другой), волны должны компенсироваться и создавать плоскую поверхность в этой области.
Чтобы проверить свою гипотезу, Янг придумал остроумный эксперимент. Используя солнечный свет, дифрагированный через небольшую щель, в качестве источника когерентного освещения, он проецировал световые лучи, исходящие из щели, на другой экран, содержащий две щели, расположенные рядом. Затем свет, проходящий через щели, падал на экран. Янг заметил, что когда щели были большими, располагались далеко друг от друга и близко к экрану, то на экране образовывались два перекрывающихся световых пятна.
Однако, когда он уменьшил размер щелей и сблизил их, свет, проходящий через щели на экран, создавал отчетливые цветные полосы, разделенные темными областями в последовательном порядке. Янг ввел термин интерференционные полосы для описания полос и понял, что эти цветные полосы могут быть получены только в том случае, если свет действует как волна.
Базовая схема эксперимента с двумя щелями показана на рис. 1. Отфильтрованный красный свет, полученный от солнечного света, сначала проходит через щель для достижения когерентного состояния. Световые волны, выходящие из первой щели, затем падают на пару щелей, расположенных близко друг к другу на втором барьере. В область за щелями помещается экран для захвата перекрывающихся световых лучей, прошедших через двойные щели, и на экране становится видна картина из ярко-красных и темных интерференционных полос. Ключом к этому типу экспериментов является взаимная когерентность между световыми волнами, дифрагированными от двух щелей на барьере.
Хотя Юнг достиг этой когерентности за счет дифракции солнечного света от первой щели, любой источник когерентного света (например, лазер) может заменить свет, проходящий через единственную щель.
Когерентный волновой фронт света, падающего на двойные щели, делится на два новых волновых фронта, которые идеально синхронизированы друг с другом. Световые волны от каждой из щелей должны пройти одинаковое расстояние, чтобы достичь точки A на экране, показанном на рисунке 1, и должны достичь этой точки все еще в шаге или с тем же фазовым сдвигом. Поскольку две волны, достигающие точки A , обладают необходимыми требованиями для конструктивной интерференции, они должны суммироваться, чтобы создать ярко-красную интерференционную полосу на экране.
Напротив, ни одна из точек B на экране не расположена на равном расстоянии от двух щелей, поэтому свет должен пройти большее расстояние от одной щели, чтобы достичь точки B , чем от другой. Волна, исходящая из щели ближе к точке B (возьмем, к примеру, щель и точку B в левой части рисунка 1), не должна пройти так далеко, чтобы достичь места назначения, как волна, идущая из другая щель.
Как следствие, волна от ближайшей щели должна прийти в точку B чуть впереди волны от самой дальней щели. Поскольку эти волны не придут в точку B в фазе (или в шаге друг от друга), они будут подвергаться деструктивной интерференции с образованием темной области (интерференционная полоса на экране). щелевой конфигурации, но может быть вызвано любым событием, которое приводит к расщеплению света на волны, которые можно компенсировать или сложить вместе
Успех эксперимента Янга был убедительным свидетельством в пользу волновой теории, но не сразу был принят его коллегами. События, лежащие в основе таких явлений, как радуга цветов, наблюдаемая в мыльных пузырях и кольцах Ньютона (которые будут обсуждаться ниже), хотя и объясняются этой работой, не были сразу очевидны для тех ученых, которые твердо верили, что свет распространяется как поток частиц. . Позже были разработаны и проведены другие типы экспериментов, чтобы продемонстрировать волновую природу световых и интерференционных эффектов.