Механизм интерференции одного фотона на двух щелях
Эксперимент с двумя щелями занимает центральное место в изучении квантовой механики из-за парадоксальных выводов, которые он предоставляет. Задача состоит в том, чтобы понять, как отдельный фотон может продемонстрировать интерференцию, проходя через обе щели.
Конструкция эксперимента и его результаты
В этом эксперименте на экране создаются две щели, через которые проходит свет. Если свет в эксперименте интенсивный, на наблюдательном экране формируется интерференционная картина в виде полос из света и тени. Это можно объяснить принципом суперпозиции волновых функций света, согласно которому свет ведет себя как волна, и потому испытывает интерференцию.
Однако, когда через систему пропускают фотоны по одному, возникает вопрос: а почему, даже в отсутствие массированного потока, мы всё равно наблюдаем интерференцию? Если бы фотоны вели себя как частицы, они должны были бы просто создавать две полосы, отражающих сами щели.
Поведение фотона
Здесь приходит на помощь принцип квантовой неопределённости и концепция волновой функции. В квантовой механике фотоны не имеют определенной траектории, пока они не измерены. Их поведение описывается волновой функцией, которая распространяется через систему и интерферирует сама с собой.
В момент измерения - когда фотон достигает детектора - его состояние «схлопывается», оставляя одиночное местоположение. Однако до этого его волновая функция имеет возможность пройти через обе щели и вызвать интерференцию, что иллюстрирует дуализм частица-волна.
Интерпретации и их следствия
Парадоксально, но интерференционная картина исчезает, когда мы пытаемся определить через какую именно щель прошел фотон. Это означает, что сам процесс измерения нарушает волновое состояние фотона, демонстрируя фундаментальный принцип квантовой механики об изменении состояния при измерении.
Таким образом, эксперимент с двумя щелями с одним фотоном иллюстрирует неразделимость концептов неопределённости и двойственной природы света. Он остаётся одним из наиболее поразительных подтверждений квантовой теории света и материи.
Категория: Физика
Теги: квантовая механика, эксперимент, интерференция, фотоны