Esperimento sulla doppia fenditura di Young

Per tutto il diciannovesimo secolo, i fisici avevano un consenso sul fatto che la luce si comportava come un'onda, in gran parte grazie al famoso esperimento a doppia fenditura eseguito da Thomas Young. Spinto dalle intuizioni dell'esperimento e dalle proprietà dell'onda che ha dimostrato, un secolo di fisici ha cercato il mezzo attraverso il quale la luce stava fluttuando, l'etere luminoso. Sebbene l'esperimento sia più evidente con la luce, il fatto è che questo tipo di esperimento può essere eseguito con qualsiasi tipo di onda, come l'acqua. Per il momento, tuttavia, ci concentreremo sul comportamento della luce.

Qual è stato l'esperimento?

All'inizio del 1800 (dal 1801 al 1805, a seconda della fonte), Thomas Young condusse il suo esperimento. Ha permesso alla luce di passare attraverso una fessura in una barriera in modo che si espandesse in fronti d'onda da quella fenditura come fonte di luce (secondo il Principio di Huygens). Quella luce, a sua volta, passava attraverso la coppia di fessure in un'altra barriera (posizionata con cura alla giusta distanza dalla fessura originale). Ogni fenditura, a sua volta, diffondeva la luce come se fossero anche singole fonti di luce. La luce ha colpito uno schermo di osservazione. Questo è mostrato a destra.

Quando una singola fenditura era aperta, ha semplicemente influenzato lo schermo di osservazione con maggiore intensità al centro e poi si è sbiadita mentre ti allontanavi dal centro. Esistono due possibili risultati di questo esperimento:

Interpretazione delle particelle: Se la luce esiste come particelle, l'intensità di entrambe le fenditure sarà la somma dell'intensità delle singole fenditure.

Interpretazione delle onde: Se la luce esiste come onde, le onde luminose avranno interferenze secondo il principio di sovrapposizione, creando bande di luce (interferenza costruttiva) e oscurità (interferenza distruttiva).

Quando è stato condotto l'esperimento, le onde luminose hanno effettivamente mostrato questi schemi di interferenza. Una terza immagine che è possibile visualizzare è un grafico dell'intensità in termini di posizione, che corrisponde alle previsioni dell'interferenza.

Impatto dell'esperimento di Young

All'epoca, ciò sembrava dimostrare in modo conclusivo che la luce viaggiava nelle onde, provocando una rivitalizzazione nella teoria delle onde della luce di Huygen, che includeva un mezzo invisibile, etere, attraverso il quale si propagarono le onde. Diversi esperimenti nel corso del 1800, in particolare il famoso esperimento Michelson-Morley, tentarono di rilevare direttamente l'etere o i suoi effetti.

Fallirono tutti e un secolo dopo, il lavoro di Einstein sull'effetto fotoelettrico e la relatività risultarono nell'etere non più necessario per spiegare il comportamento della luce. Ancora una volta una teoria delle particelle di luce prese il sopravvento.

Espansione dell'esperimento a doppia fenditura

Tuttavia, una volta che la teoria dei fotoni della luce è nata, dicendo che la luce si muoveva solo in quanti discreti, la domanda è diventata come questi risultati erano possibili. Nel corso degli anni, i fisici hanno intrapreso questo esperimento di base e lo hanno esplorato in vari modi.

Nei primi anni del 1900, la domanda rimaneva su come la luce - che ora era riconosciuta viaggiare in "fasci" di particelle quantizzati di energia quantizzata, chiamati fotoni, grazie alla spiegazione di Einstein sull'effetto fotoelettrico - poteva anche esibire il comportamento delle onde. Certamente, un gruppo di atomi d'acqua (particelle) quando agiscono insieme formano le onde. Forse questo era qualcosa di simile.

Un fotone alla volta

È diventato possibile avere una fonte di luce che è stata installata in modo che emettesse un fotone alla volta. Sarebbe, letteralmente, come lanciare cuscinetti a sfere microscopici attraverso le fessure. Impostando uno schermo abbastanza sensibile da rilevare un singolo fotone, è possibile determinare se in questo caso esistessero o meno schemi di interferenza.

Un modo per farlo è impostare un film sensibile ed eseguire l'esperimento per un periodo di tempo, quindi guardare il film per vedere qual è il motivo della luce sullo schermo. Proprio un simile esperimento è stato eseguito e, in effetti, corrispondeva alla versione di Young in modo identico - alternando bande chiare e scure, apparentemente risultanti dall'interferenza delle onde.

Questo risultato conferma e stupisce la teoria delle onde. In questo caso, i fotoni vengono emessi singolarmente. Non c'è letteralmente modo che si verifichino interferenze d'onda perché ogni fotone può attraversare una sola fenditura alla volta. Ma si osserva l'interferenza dell'onda. Com'è possibile? Bene, il tentativo di rispondere a questa domanda ha generato molte interpretazioni intriganti della fisica quantistica, dall'interpretazione di Copenaghen all'interpretazione a molti mondi.

Diventa ancora più strano

Ora supponi di condurre lo stesso esperimento, con una modifica. Posizionate un rivelatore in grado di dire se il fotone passa o meno attraverso una data fenditura. Se sappiamo che il fotone passa attraverso una fenditura, allora non può passare attraverso l'altra fenditura per interferire con se stesso.