Licht gedraagt ​​zich niet alleen in de ruimte maar ook in de tijd als een deeltje en een golf

Een van de vreemdste en beroemdste experimentenin de natuurkunde is het dubbelspletenexperiment de beste illustratie van de mysterieuze aard van de kwantummechanica. Dit komt doordat licht, dat door ons als iets gewoons wordt waargenomen, zich zowel als deeltje als als golf tegelijk kan gedragen, wat in 2021 experimenteel werd bevestigd. De Engelse natuurkundige en wiskundige Thomas Young was echter de eerste die in 1801 aandacht besteedde aan dit ongebruikelijke fenomeen, toen hij merkte dat wanneer geluidsgolven worden toegevoegd, het geluid wordt afgezwakt en versterkt. Ervan uitgaande dat licht als geluid is, besloot Jung een experiment uit te voeren waarbij hij een lichtstraal richtte op een ondoorzichtig scherm met twee parallelle sleuven, waarachter een ander projectiescherm was geïnstalleerd. De breedte van de spleten was in dit geval ongeveer gelijk aan de golflengte van het uitgezonden licht. Het resultaat van het experiment was een interferentiepatroon, dat aantoont dat het foton tegelijkertijd door beide spleten lijkt te gaan. De laatste tijd is de situatie echter ingewikkelder geworden - veranderingen die natuurkundigen hebben aangebracht in het klassieke experiment van Young, toonden aan dat het gedrag van fotonen verandert afhankelijk van ... tijd.

De resultaten van een nieuwe studie toonden aan dat licht zich gedraagt ​​als een golf en een deeltje, niet alleen in de ruimte maar ook in de tijd.

De inhoud

• 1 Jungs klassieke ervaring
• 2 Vorming van kwantummechanica
• 3 Hoe heeft de kwantummechanica de wereld veranderd?
• 4 Jungs moderne ervaring
• 5 Uitgesteld keuze-experiment
• 6 Hoe gedraagt ​​licht zich in tijd en ruimte?

Jungs klassieke ervaring

Voordat we verder gaan met opwindende resultatenstudie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics, wenden we ons tot het klassieke Young-experiment en herinneren we ons ook de basisprincipes van de kwantummechanica. Dus, volgens de auteur van dit artikel, zal het voor de lezer gemakkelijker zijn om te begrijpen wat er gebeurt.

Om te beginnen het debat over de aard van licht inacademische kringen bestaan ​​al sinds de 18e eeuw. Zo geloofde Isaac Newton dat licht bestaat uit een stroom deeltjes, terwijl de Nederlandse natuurkundige en astronoom Christian Huygens juist lichtgolven noemde die trillen in een soort ether. Deze gissingen waren gebaseerd op het golfkarakter van geluidsgolven, die zich voortplanten door gebogen buizen om hoeken, in tegenstelling tot licht. Bovendien merkte Newton dat de snelheid van het licht veranderde in water, wat hem dwong een onverklaarbare kracht in zijn theorie te introduceren die dit vreemde fenomeen zou kunnen verklaren.

Isaac Newton was ervan overtuigd dat licht een deeltje is, geen golf.

Dit is interessant: waarom lijkt kwantumfysica op magie?

Sinds in die jaren gebruikte de jonge wetenschappererg populair, niemand durfde zijn theorie tot 1801 aan te vechten. Toen, zoals hierboven vermeld, nam Thomas Young voor het eerst interferentie waar. De reden dat deze erudiete wetenschapper met ervaring op verschillende gebieden van de wetenschap, waaronder geneeskunde, geïnteresseerd raakte in licht, was de voorbereiding van een schot in de roos, waarbij hij nadacht over hoe de ogen scherpstellen op objecten op verschillende afstanden. Vervolgens stelde Jung de theorie van kleurenwaarneming voor.

Jung bewonderde ook Newton, maar tegen 1800merkte iets mis in de corpusculaire theorie. Licht gedroeg zich dus anders tussen lucht en water - een deel ervan werd gereflecteerd en het tweede werd gebroken, wat niet kan worden verklaard door de theorie van Newton. Om te begrijpen wat er gebeurde, wendde Jung zich, net als zijn voorgangers, tot geluid en merkte op dat wanneer twee geluidsgolven elkaar kruisen, ze met elkaar interfereren. Na verloop van tijd begon de natuurkundige te begrijpen dat het fenomeen interferentie ook op licht kon worden toegepast.

Laat me je eraan herinneren dat interferentie optreedt wanneer tweereeksen golven worden over elkaar heen gelegd. Eerder sprak ik over de resultaten van een experiment dat aantoonde dat kwantumverstrengeling bestaat tussen ongelijksoortige deeltjes.

Licht is niet zo eenvoudig als het lijkt

In 1801, reflecterend op experimentenNewton, Jung bracht het hoofdidee van het beroemde experiment naar voren, maar zijn resultaten werden vervolgens bekritiseerd door de academische gemeenschap. De door Young voorgestelde opstelling werd later gebruikt om de golfaard van licht en het vermogen van elektronen om zich als golven te gedragen en interferentiepatronen te creëren, aan te tonen.

De situatie veranderde veel later dankzijde opkomst van de kwantummechanica, toen natuurkundigen (grotendeels dankzij de ervaring van Jung) stopten met twijfelen aan de dubbele aard van licht, dat, zoals we weten, zich tegelijkertijd zowel als een golf als als een deeltje kan gedragen.

BELANGRIJK: In 2021 bevestigden natuurkundigen experimenteel de dualiteit van golven en deeltjes.

De opkomst van de kwantummechanica

< Kwantumfysica bestudeert de structuur van de wereldmicroscopisch niveau. In tegenstelling tot de klassieke natuurkunde, die zich richt op de studie van de macrokosmos (inclusief de kosmos en hemellichamen), concentreert dit onderzoeksgebied zich op atomen - kleine bouwstenen van het universum die niet met het blote oog te zien zijn. Maar dit is slechts een klein deel van de eigenaardigheden die wetenschappers tegenkomen. Gezien de specifieke aard van de kwantummechanica, waren de grondleggers ervan vele vooraanstaande wetenschappers, waaronder de theoretisch natuurkundige Max Planck, de "vader" van het atoom Niels Bohr, de bedenker van de algemene relativiteitstheorie (GR) Albert Einstein, de natuurkundige Werner Heisenberg en vele andere beroemde wetenschappers. Allemaal omdat het ongelooflijk moeilijk was om te begrijpen wat er gebeurde.

Hier is de allereerste momentopname van licht als zowel golven als deeltjes. Foto genomen in het laboratorium van Fabrizio Carbone aan de Federale Polytechnische School van Lausanne

Lees meer over andere even vreemde fenomenen van de kwantummechanica in ons artikel "Geheimen van de kwantummechanica - wat is kwantumverstrengeling?"

En toch het primaat in de creatie van modernDe kwantumtheorie is van de Duitse natuurkundige Max Planck, die baanbrekend onderzoek publiceerde waarin hij aantoonde dat energie in bepaalde situaties de kenmerken van fysieke materie kan vertonen. Merk op dat in die jaren energie werd beschouwd als een uitsluitend continu golfachtig fenomeen, onafhankelijk van de kenmerken van fysieke materie.

De theorie van Planck stelde daarentegen dat de energiebestaat uit componenten die lijken op deeltjes of "quanta". Zijn werk hielp bij het oplossen van voorheen onverklaarbare natuurlijke fenomenen, waaronder de absorptie van licht op atomair niveau, waarvoor hij in 1918 de Nobelprijs voor natuurkunde ontving.

Dan Einstein, Bohr, Louis de Broglie, Schrödinger enDirac ontwikkelde de theorie van Planck en gaf de wereld kwantummechanica - de wiskundige toepassing van de kwantumtheorie, volgens welke energie zowel materie als een golf is en afhangt van een aantal variabelen. De kwantummechanica houdt dus vast aan een probabilistische kijk op de structuur van het universum, die heel anders is dan de klassieke mechanica, waarin alle exacte eigenschappen van objecten kunnen worden berekend.

Hier is een foto genomen in 1927 tijdens het 5e Solvay-congres. Alle 29 deelnemers veranderden de wereld onherkenbaar.

Vandaag kwantummechanica en theorierelativiteit is de basis van de moderne natuurkunde en ... het grootste probleem. Lees meer over waarom de algemene relativiteitstheorie in tegenspraak is met de kwantummechanica en wat dit betekent voor de moderne wetenschap in het artikel "Kan kwantummechanica het bestaan ​​van ruimte-tijd verklaren?", raad ik aan!

Hoe veranderde de kwantummechanica de wereld?

Vandaag, over de "mysterieuze" kwantumfysica is dat nietalleen luie mensen hebben het gehoord, omdat het wordt gebruikt om de meest uiteenlopende en zelfs niet-bestaande verschijnselen te verklaren. Dat is niet verwonderlijk, want er is nauwelijks een wetenschapper in de wereld die de structuur van het heelal op microniveau volledig begrijpt. De kwantummechanica heeft echter uiteindelijk en onherroepelijk de wereld veranderd en bijgedragen aan de ontwikkeling en vorming van de moderne beschaving. Om enige duidelijkheid te scheppen en luide uitspraken te onderbouwen, sommen we de belangrijkste verworvenheden van deze wetenschappelijke discipline op.

• Computers en smartphones zijn het duidelijkste voorbeelddat gaf de wereld kwantummechanica. Dit komt omdat de werking van moderne elektronica op basis van halfgeleiders afhangt van het golfkarakter van elektronen. En omdat we deze golfaard begrijpen, kunnen we de elektrische eigenschappen van silicium manipuleren om computerchips te maken door kleine fracties van de benodigde elementen met elkaar te mengen.



Je leest dit artikel dankzij de kwantummechanica

Computerchips kracht en krachtdesktops, laptops, tablets, smartphones en zelfs kleine apparaten. Zonder een gedetailleerd begrip van de kwantumaard van materie, zou het onmogelijk zijn om ze te creëren.

• Lasers en telecommunicatie:in klassieke glasvezeltelecommunicatie die wordt gebruikt om berichten over glasvezelkabels te verzenden, zijn lichtbronnen kwantumapparaten - lasers. Ja, ja, elke keer dat u belt, gebruikt u direct of indirect een laser, of, zo u wilt, de kwantumfysica zelf.



Lasers zijn generatoren en versterkers van coherente straling in het optische bereik

Het belangrijkste principe van de laser werd in 1917 door Einstein beschreven.jaar in een werk over de statistiek van fotonen (hoewel de term zelf later werd geïntroduceerd) en hun interactie met atomen. Het resultaat van deze interactie is geïnduceerde (of coherente) emissie, waarbij beide fotonen elkaar ruwweg "klonen", d.w.z. dezelfde frequentie, fase en richting hebben.

• Met aangesloten GPS-navigatiesystemenmet internet kunt u de weg banen naar elke onbekende plek. Dit komt omdat navigatie op smartphones wordt verzorgd door een wereldwijd positioneringssysteem - een netwerk van satellieten, die elk een signaal uitzenden dat wordt ontvangen door een GPS-navigator, die de locatie bepaalt met een nauwkeurigheid van enkele meters. GPS is gebaseerd op de constante lichtsnelheid om tijd om te zetten in afstand.



Elke keer dat je je smartphone gebruikt om van punt A naar punt B te komen, dank je de kwantummechanica ervoor.

Voor nauwkeurig en synchroon werkensatellietsysteem, elk van hen heeft ingebouwde atoomklokken die werken dankzij de principes van de kwantummechanica. De "tik" van een klok is de oscillatie van microgolven die een overgang veroorzaakt tussen twee specifieke kwantumtoestanden in een cesium (of rubidium, in sommige klokken) atoom.

Geweldig, toch? Ondanks het feit dat kwantumfysica mysterieus en onbegrijpelijk is, is het simpelweg onmogelijk om je het dagelijkse leven zonder voor te stellen.

Jungs moderne ervaring

Thomas Jung deed zijn beroemde experiment zonderklein 222 jaar geleden. Om deze reden ziet de moderne ervaring er enigszins anders uit: natuurkundigen laten de straling van individuele deeltjes licht of materie door twee sleuven of gaten in een ondoorzichtige barrière. Aan de andere kant van de kering staat een scherm dat de aankomst van deeltjes registreert.

Het resultaat van het experiment, ondanks de modernisering,verandert niet: in plaats van door een of andere spleet te gaan en zich achter elk van hen op te hopen, gaan fotonen naar bepaalde delen van het scherm en vermijden ze elkaar, wat leidt tot het creëren van afwisselende banden van licht en donker, dat wil zeggen tot interferentie . Dit gebeurt echter niet altijd - het bleek dat er op elk moment slechts één foton door het apparaat gaat.

Het gedrag van fotonen verandert als we simpelweg het verloop van een experiment observeren. De werkelijkheid is veel ingewikkelder dan het lijkt.

Dit lijkt contra-intuïtief, maar als je kijkt naarfoton vanuit een wiskundig oogpunt, gezien als een golffunctie (een abstracte wiskundige functie die de toestand van het foton / zijn locatie weergeeft), hoe alles op zijn plaats valt. De golffunctie gedraagt ​​zich namelijk als een golf, wat betekent dat het foton in beide spleten valt. Als gevolg hiervan komen er nieuwe golven uit elke gleuf aan de andere kant, planten zich voort en interfereren met elkaar.

Zie ook: Nobelprijs voor de natuurkunde 2022: kwantumverstrengeling en teleportatie

Zo kunnen we de belangrijkste formulerenhet idee van het experiment met dubbele spleet - zelfs als je fotonen één voor één door beide spleten laat gaan, zal het zich nog steeds gedragen als een golf, waardoor een interferentiepatroon ontstaat. Maar deze golf is een waarschijnlijkheid, aangezien wetenschappers niet weten door welke van de twee spleten dit of dat foton zal gaan. Het probleem is dat wanneer wetenschappers precies proberen te bepalen welk foton door een bepaalde spleet gaat, er geen interferentiepatroon optreedt (ongeacht wat de wetenschappers doen).

Uitgesteld keuze-experiment

Merk op dat er in de kwantummechanica wel iseen aantal klassieke dubbelspleten-experimenten, waaronder het "vertraagde keuze"-experiment (de zogenaamde "vertraagde keuze kwantumwisser"). Ondanks de vreemde naam is het idee vrij eenvoudig: de fotonen die door de laser worden uitgezonden, vallen op een plaat met dubbele spleet, waarachter zich een niet-lineair optisch kristal bevindt dat één foton splitst in een paar verstrengelde fotonen (lees hier meer over dit fenomeen ).

Het doel van het experiment is vormenhet standaard interferentiepatroon dat een van de fotonen zou moeten creëren, en zijn "partner" zou naar de detector moeten gaan. Dit gebeurt echter niet: zelfs als het tweede foton kan worden gedetecteerd nadat het eerste het scherm raakt, treedt er geen interferentiepatroon op.

Jungs klassieke ervaring, beschrijving

Theoretisch betekent dit dat het observeren van een foton kan gebeurtenissen die al hebben plaatsgevonden veranderen. Maar hoe het allemaal precies werkt, is nog onbekend, wat betekent dat we een van de grootste mysteries van de kwantummechanica hebben.

Weet je dat er verschillende interpretaties zijn van kwantummechanica? Weet je bijvoorbeeld wat de Everett-interpretatie is?

Hoe gedraagt ​​licht zich in tijd en ruimte?

In een voortdurende poging om de oorzaak van het vreemde gedrag van fotonen te ontrafelen, hebben natuurkundigen van Imperial College London hun baanbrekende werk gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics, waarin ze aantonen dat Jungs ervaring geldt niet alleen met betrekking tot ruimte, maar ook met betrekking tot tijd. In het oorspronkelijke experiment gingen lichtgolven door nauwe openingen in de fysieke ruimte, maar in de nieuwe variant gebruikten natuurkundigen een speciaal materiaal dat de mate van reflectie van licht verandert.

Wanneer op een dunne laag indiumoxide -een elektrisch geleidend transparant materiaal dat regelmatig wordt gebruikt in touchscreens van smartphones - wanneer het wordt geraakt door een intense laserpuls, wordt het een kleine fractie van een seconde een spiegel. Dit materiaal, zoals ze in het werk zeggen, verandert extreem snel van reflectiviteit, wat vergelijkbaar is met de frequentie van lichtoscillaties.

Als de hele geschiedenis van het universum voortkwam uit de oerknaltot het moment dat u dit artikel leest een seconde duurde, zou de fluctuatie van licht gelijk zijn aan één dag. De schakelsnelheid van de spiegelspleten bleek fenomenaal te zijn - een kwestie van femtoseconden, - legt hoofdauteur van het artikel, Romain Tyrol, uit.

Een groep natuurkundigen slaagde erin een experiment met dubbele spleet na te bootsen dat de golfkarakteristiek van licht in de loop van de tijd bewees.

Simpel gezegd, natuurkundigen waren daartoe in staatom de processen van lichtinterferentie in de tijd te observeren - nadat ze door de spleten zijn gegaan, versterkten de lichtgolven elkaar of doofden ze uit (net zoals het gebeurt in het klassieke Young-experiment). Deze keer echter interferentie opgetreden op de tijdschaal.

Dus, 222 jaar later, hebben wetenschappers dat bewezen licht gedraagt ​​zich niet alleen in de ruimte maar ook in de tijd als een deeltje en een golf.

We leerden ook over het bestaan ​​van nauwkeurigermanieren om de optische respons van het medium te meten, en de resultaten van de studie in de toekomst kunnen leiden tot de creatie van nieuwe computertechnologieën en spectroscopie (wat nuttig is bij de studie van zwarte gaten en andere astrofysische verschijnselen). Naast de theoretische en conceptuele waarde, blijven dergelijke experimenten dienen als een bron van nieuwe kennis en worden ze uitgevoerd voor verschillende soorten golven, waaronder elektronische golven, geluid, enz.

Stelt u zich eens voor welke impact een nieuwe ontdekking zou kunnen hebben op de verwerkingskracht van kwantumcomputers.

Ook andere vervolg kunnen we niet uitsluitenontdekkingen waar vandaag niemand aan durft te beginnen. Uiteindelijk weten we te weinig over de aard van het heelal, waarin veel meer onontgonnen gebieden zijn dan men zich kan voorstellen. En wat denk je, waar kunnen verdere experimenten op het gebied van de kwantumfysica toe leiden? We wachten zoals altijd op het antwoord in onze Telegram-chat, bedankt voor uw aandacht!