Youngs dubbelspaltsexperiment: våg–partikeldualitet förklarad

Upptäck Youngs dubbelspalt: enkel förklaring av våg–partikeldualitet, historik, experiment och dess betydelse för kvantfysiken.

Dubbelspaltsexperimentet inom kvantmekaniken är ett experiment som först utfördes av fysikern Thomas Young år 1801. Det visar att ljuset har både en vågkaraktär eller egenskap och en partikelkaraktär eller egenskap, och att dessa egenskaper är oskiljaktiga. Ljuset sägs alltså ha våg-partikel-dualitet snarare än att bara vara en våg eller bara en partikel. Samma sak gäller för elektroner och andra kvantpartiklar.

Hur experimentet går till

Grundupplägget är enkelt: en källa skickar ljus eller partiklar mot en skärm med två smala, parallella spalter. Bakom spalterna sitter en detektorskärm eller en fotoplatta som registrerar var ljuset eller partiklarna träffar.

• Om ljuset beter sig som en våg uppstår ett interferensmönster på detektorskärmen: ljusa och mörka band (fransar) som beror på att vågor från de två spalterna bygger upp eller släcker ut varandra (konstruktiv respektive destruktiv interferens).
• Om ljuset skulle bete sig som partiklar skulle man förvänta sig två ljusfläckar motsvarande spalterna—men det är inte vad man ser i experimentet med obegränsad observation.

Enpartikelsituation och paradoxen

Om man skickar igenom väldigt svag ljusstråle, så svänger inte alla fotoner som en grupp—de når detektorn som enskilda, punktlika träffar, vilket visar partikelegenskaper. Men om man låter många sådana enstaka händelser ackumuleras syns samma interferensmönster som i vågfallen. Detta illustrerar våg-partikeldualiteten på ett konkret sätt: varje partikel uppvisar interferens trots att den registreras som en punkt.

Vad händer när man försöker mäta "vilken spalt"?

Om man försöker ta reda på genom vilken spalt en partikel passerar (så kallad which-path-mätning) försvinner interferensmönstret. Resultatet blir i stället ett mönster som liknar summan av två enkla spridningsmönster, som om partiklarna hade varit klassiska kulor. Förklaringen i kvantmekaniken är att en sådan mätning korrelerar partikeln med mätapparaten och orsakar decoherens eller en kollaps/uppdatering av systemets vågfunktion — kort sagt att möjligheten till interferens försvinner när vägen blir bestämd.

Tolkningar och begrepp

• Komplementaritetsprincipen (Niels Bohr): våg- och partikelbeskrivningarna är båda nödvändiga men kan inte observeras samtidigt. Beroende på vilken typ av mätning man gör träder den ena eller den andra fram.
• Decoherens: modern förklaring som beskriver hur kvantkoherens (nödvändig för interferens) försvinner när systemet blir växelverkande med en omgivning eller mätapparat.
• Quantum eraser: experiment har visat att om man "tar bort" vilken‑spalt‑informationen (utan att förstöra fotonens andra egenskaper) kan interferensen återställas, vilket understryker att det är informationen i systemet som är avgörande.

Moderna varianter och testobjekt

Dubbelspaltsexperimentet har upprepats och utvecklats i många varianter: med fotoner, elektroner, neutroner, atomer och till och med stora molekyler (t.ex. fullerener). Alla dessa visar samma grundläggande drag: kvantobjekt kan uppvisa interferens samtidigt som de registreras som diskreta händelser.

Varför experimentet är viktigt

• Det visar direkt att klassiska bilder (endast vågor eller endast partiklar) är otillräckliga för att beskriva mikrovärlden.
• Det är en enkel men kraftfull demonstration av kvantprinciper som superposition, koherens och mätningens roll.
• Det ligger till grund för många moderna tillämpningar och experiment inom kvantteknologi, t.ex. kvantinterferens i atom- och elektronmikroskopi, kvantkryptografi och grundläggande tester av kvantteori.

Sammanfattning

Youngs dubbelspaltsexperiment illustrerar att partiklar på mikroskopisk nivå bär både våg- och partikelegenskaper — våg-partikel-dualitet. Resultaten beror på vilken sorts mätning som utförs: utan vilken‑spalt‑information bildas ett interferensmönster, medan mätning av vägen förstör interferensen. Experimentet förblir ett av de mest pedagogiska och insiktsfulla demonstrationerna av kvantmekanikens grundläggande natur.

Försöket

Grundversionen av detta experiment är mycket enkel. Det kräver endast en dubbelspaltsanordning som den på bilden, något som håller dubbelspaltsanordningen stilla och en bra laser, t.ex. en sådan som hantverkare använder för att "rita" raka linjer när de bygger. Lasern är stödd så att den bara kan flyttas med avsikt. Den riktas mot den centrala punkten mellan de två slitsarna från en punkt på ungefär en halv meters avstånd. Något som en filmduk eller en slät vit vägg sätts upp på andra sidan av anordningen med dubbla spalter på flera meters avstånd. När allt är fixerat kommer ett mönster av ljusa och mörka band att synas.

Lasrar kan producera en eller flera fotoner när de får en viss mängd elektricitet. Fotonen eller fotonerna kommer ut ur ett mycket litet hål inom en välkänd tidsperiod. Ljusets hastighet är känd, så tiden då fotonerna visas på skärmen kan förutsägas. När fotoner produceras en i taget är det som visas på skärmen enskilda ljuspunkter. Om fotoner var vågor skulle vi förvänta oss att de skulle spridas ut när de färdas och sköljas över ett stort område på skärmen, men det händer aldrig. Om fotoner var partiklar skulle vi förvänta oss att de skulle dyka upp på två punkter på skärmen som är anslutna till lasern genom de två slitsarna i mitten. Men det är inte heller det som händer.

När Thomas Young gjorde detta experiment hade han ingen laser. Han förstod det genom att föreställa sig att ljus är som vattenvågor. Han tänkte att ljusvågorna rörde sig ut från ljuskällan som vågor som sprider sig från en sten som släpps ner i en damm, och att när vågfronterna träffar dubbelspalten så kommer den ursprungliga vågen igenom vid de två spalterna och det blir två olika vågor från och med då. Det var lätt att räkna ut hur två vågor skulle interagera för att producera de ljusa banden och mörka banden (ofta kallade "fransar") på skärmen. Han sade att han hade bevisat teorin att ljus är vågor.

Men det fanns stora problem. Ljuset syntes inte på skärmen som vågor som sköljde över den. Ljuset började förstås som svärmar av fotoner som var för sig träffade detektionsskärmen. Och mycket överraskande kunde en enskild foton interferera med sig själv som om den vore en enskild våg som passade in i den gamla vågbeskrivningen. Den delade sig i två vågor vid den dubbla spaltanordningen, och de kombinerades sedan vid skärmen.

 
J är avståndet mellan fransarna. J = Dλ/B "D" = dist. S2 till F, λ = våglängd, B = dist. a till b  


Samma apparat, en spalt öppen jämfört med två spalter öppna (observera de 16 fransarna).  

Betydelse för filosofin

Dubbelspaltsexperimentet har varit av stort intresse för filosofer, eftersom det kvantmekaniska beteende som det visar har tvingat dem att ompröva sina idéer om klassiska begrepp som t.ex:

• "partiklar",
• "vågor",
• "location",
• "förflyttning från en plats till en annan" och
• "observation".

Erfarenheterna från subatomära partiklars mikrovärld tvingar oss att omvärdera några av våra vanligaste idéer.^[why?]

Andra webbplatser

• Kvantfysiken förklarar experimentet med dubbla klyftor (tecknad film från filmen "What the Bleep do we know?")
• Film om ett dubbelspaltsexperiment med elektroner. Du kan se hur enskilda elektroner träffar skärmen och du kan se hur fransarna byggs upp med tiden.

 
Rörlig bild som visar hur en serie vågor träffar en dubbelspalt och ger upphov till två serier av vågor som interfererar med varandra.  

Frågor och svar

Fråga: Vad är dubbelspaltsexperimentet?

F: Vem utförde först dubbelspaltsexperimentet?

Fråga: Vad visar dubbelspaltsexperimentet?

Fråga: Är det möjligt att ljuset antingen bara är en våg eller bara en partikel?

F: Vilken typ av dualitet har ljuset?

F: Gäller samma sak även för elektroner?

F: När blev detta fenomen känt som "våg-partikeldualitet"?

Sök med bokstav