Globe Views
500 things that everyone should know ...
Home | About Us

MAGI gjennom to årtusener

The Double Slit Experiment Revisited Husk Youngs dobbel slit eksperimentet? Dersom, i stedet for en lysstråle, vi sendte en stråle av elektroner inn i denne dobbel slit system ville det vi ser? La oss erstatte lyskilden med en elektron ovn, som sender et strømmen av elektroner mot dobbel slit system, i god avstand utover doble slisser ligger en skjerm som kan registrere ankomsten av hver elektron. La oss anta at set-up har blitt nøye lagt opp slik at de elektronene som når påvisning skjermen, har nøyaktig 50% av dem kom fra hver slit. Det første vi legger merke til at elektroner er virkelig peker partikler, de som får gjennom dobbel slit system og nå deteksjon skjermen kommer på ett sted og bare ett sted på den skjermen. Hvis vi skulle lukke en sliss og vente i noen tid for å tillate et stort antall elektroner å nå deteksjon skjermbildet ville fordelingen av elektroner se noe som vist motsatt. Intensiteten mønsteret er spredt ut noe, antagelig fordi noen av elektronene er spredt utenfor kantene på slissen. Merk at, som forventet, ligger midt i intensiteten mønsteret på et punkt i den direkte linje-of-sight tilbake til elektronet ovnen, og er forskjøvet noe fra den nøyaktige sentrum av deteksjon-skjermen.   På en lignende måte, hvis vi skulle stenge det andre hullet, og åpne den første for det samme beløpet av tid, ville vi forvente (gitt at vår forsøket er satt opp med nøyaktig symmetri) at intensiteten mønsteret ville være identisk i forme til det første tilfellet, men fortrenges en lik mengde til den andre side av sentrum av gjenkjennings-skjermen.       Så hvis begge spaltene var igjen åpen for samme mengde tid, hva ville vi forvente? Selvfølgelig, hvis elektroner var klassiske partikler, ville vi forvente at den totale intensiteten mønsteret er bare summen av de to foregående intensitet mønstre, vist motsatte.
    Forbausende, dette er ikke i det hele tatt hva vi observerer. Faktisk den observerte intensitet mønster viser forstyrrelser band, veldig li ke de som produseres av lys som passerer gjennom dobbel slit system, det er steder på deteksjon skjermen der ingen
elektroner land, og andre steder hvor flere elektroner enn antallet vi kan forvente fra bare legge bidragene fra hver slit handle alene.             MERK: Dr David Harrison lærer andre halvdel av kurset JPU200Y som dekker deler av materialet også dekket i PHY100F. Han har bygget en vakker beskrivelse av Double Slit eksperimentet på nettsidene til det kurset. Jeg oppfordrer deg til å se på disse sidene - bare klikk på http://faraday.physics.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/DoubleSlit/DoubleSlit.html   Hva er det som skjer? Det forbløffende er at elektronene, som hver kommer individuelt som "partikler", gjør det på en slik måte som å danne en intensitet mønster som vi kan bare fornuftig av når det gjelder "bølger". Faktisk, ved hjelp av svært enkle teorien av bølger som gir en beskrivelse av dobbel slit eksperimentet for bølger, får vi en fullstendig beskrivelse av hele intensitet mønster av denne doble slit eksperimentet for elektroner. Å drive poeng hjemme, la oss se på et par endringer i eksperimentet som kan bidra til å fjerne eventuelle dvelende tvil om at dette er virkelig hva som skjer. Vi kan være bekymret for at en slags forstyrrelser effekten kan skjer mellom forskjellige elektroner som de krysser den eksperimentelle systemet. Å kontrollere dette, kunne redusere intensiteten av elektronstrålen (ved å skru ned ovnen, for eksempel), slik at til enhver tid det var bare en elektron i systemet. Den ekstraordinære Resultatet er at, selv om det tar mye lengre tid for interferensmønster å utvikle, akkurat det samme mønsteret ikke utvikler. Men hvordan kan hver enkelt elektron "vite" hvor den skal lande opp, siden forsøkene forteller oss at dette bare er avhengig om en eller begge spaltene er åpen. Så kanskje elektronet deler noe seg opp og går gjennom begge hullene samtidig, rekombinering før den når deteksjon skjermbildet. For å sjekke dette, kan vi designe et apparat for å sjekke om elektronet går gjennom en spalte eller den andre, eller begge, når begge spaltene er åpen. La oss anta at vi har en liten lys plassert rett bak dobbel slit system. Det sender ut fotoner å sprette av elektroner som kommer gjennom spaltene, hvis et elektron er truffet, bøyer den fotoner inn i våre øyne, og vi observerer elektronet og kan bestemme sin posisjon. (Dette er selvfølgelig en svært grov del av utstyret for å gjøre en slik måling, i virkeligheten ville vi designe ting mye bedre Men dette "Gedanken" eksperiment gjør diskusjonen enklere, og representerer det vesentlige av en ekte eksperiment.). Nå kan vi se hvilke slit hvert elektron kommer gjennom. Hva er resultatet? Det viser seg at faktisk kommer hver gang theelectron gjennom en spalte eller den andre. Men vi merker til vår forferdelse at når vi gjør denne observasjonen, forsvinner interferensmønster! Kanskje vi har så mange fotoner rundt at de er noe forstyrrende med elektroner "stier? Vel, vi kan redusere intensiteten på lyskilden (dvs. antall fotoner flom system) å sjekke dette ut. Men hvis vi redusere intensiteten for mye, vil vi begynne å gå glipp av noen av elektronene, fordi det ikke er nok rundt for å sikre at hver foton er rammet, og dermed observert. Hvis vi ser på fordelingen av elektroner som vi savner, faktisk interferensmønsteret igjen observert. Men for disse elektronene som vi kan avgjøre hvilke slit de har gått gjennom (og da oppdaget, de er alltid sett for å komme gjennom en spalte eller den andre!), Er ingen interferensmønster observert. Kanskje vi kan foreslå, fotonene vi bruker i dette eksperimentet er for energisk, slik at deres innvirkning på den skjøre elektroner er for stor. Vel, kan vi redusere virkningen ved å redusere deres momentum; siden deres bølgelengde er omvendt proporsjonal med momentet, betyr at vi øker deres bølgelengde. Og faktisk så vi øker bølgelengden til observere fotoner, skal vi begynne å merker at interferensmønster nytt etablerer seg. Imidlertid, til vår forferdelse, bare på det punktet finner vi at vår oppløsning (som, husk, proporsjonal med bølgelengden av det observerende lyset) har blitt så dårlig at vår evne til å bestemme hvilke sliss disse elektronene har kommet gjennom forsvinner! I ordene til Richard Feynman (i karakter av fysisk lov (MIT Press)): "Hvis du har et apparat som er i stand til å fortelle hvilke hull elektronet går gjennom ... da kan du si at den går enten via et hull eller andre Det gjør;. Er det alltid går gjennom ett hull eller det andre - når du ser. Men når du har ingen apparater for å avgjøre hvor hullet ting går, så du kan ikke si det går gjennom et hull eller den andre ... å konkludere med at det går gjennom et hull eller det andre når du ikke leter er å produsere en feil i spådommen. Det er den logiske tightrope som vi må gå hvis vi ønsker å tolke naturen. " Nå kan det tenkes at vår manglende evne til å feste elektronet ned til en sliss eller den andre samtidig som vi observerer interferensmønsteret er bare på grunn av det faktum at vår observasjon av systemet forstyrrer det for mye. Det er faktisk noe sant i dette, de fleste moderne forskere vil nå godta at den gamle ideen om at observatøren kan stå utenfor naturen for å observere det ikke lenger er holdbare. John Wheeler har satt dette pent, ved å si at ja, det er ikke noe slikt som en "observatør" - bare "deltakere". Men det er noe enda dypere skjer her, for hvis vi hadde noen metode overhodet å avgjøre hvilken slit hvert elektron kom gjennom, ville enkel logikk insisterer på at den observerte fordelingen ville bare være summen av fordelingen av elektroner fra hver slit, tatt separat. Det vil si at vi observerer  
   

Naturen ville da bli plassert i en irresolvable paradoks. Så konsekvensen her er at faktisk fremtiden er uforutsigbar, vi kan aldri forutsi hvilke slit elektronet kommer til å gå gjennom.

Heisenbergs Usikkerhet prinsipp. Det er en mer formell matematisk utsagn av dette faktum, kalt Heisenberg usikkerhet prinsippet, som setter klare grenser for hva vi kan observere. En enkel "slags bevis" går som følger: Vurdere vårt forsøk på å vise elektroner i dobbel slit system ved å sende lys av bølgelengde på dem. Fotoner av dette lyset vil ha bevegelsesmengde pphoton = h/. Hvis vi klarer å se et elektron vil det være fordi en av disse fotonene har rammet den. Klart elektronet momentum vil ha blitt påvirket av dette samspillet med foton. Vi kaller den forandringen vi har så indusert i elektronets momentum pelectron (betyr en liten endring i pelectron). Selvfølgelig, jo større fremdrift av fotonet, desto større denne endringen i fremdriften av slo elektronet. Certainly pelectron er proporsjonal pphoton; konstanten proporsjonalitet avhenger til en viss grad på den eksperimentelle oppsett, men kan typisk være i størrelsesorden av 0,1 eller så. Men til rekkefølgen av vår nåværende beregning, kan vi anta at det er en. Dermed kan vi skrive at pelectron = pphoton = h/. Nå vet vi at presisjonen som vi kan bestemme en avstand er begrenset av størrelsen på bølgelengden til lyset som vi bruker til måle avstanden. Faktisk denne usikkerhet i posisjonen er direkte proporsjonal med bølgelengden av lyset, igjen, på vår nåværende nivå av nøyaktighet, kan vi sette proporsjonalitetskonstanten til 1. I dobbel slit eksperimentet La oss kalle dette usikkerhet i posisjon x. Så, ved hjelp ovenstående argumenter kan vi skrive usikkerheten i kunnskapen om posisjonen av elektronet, bestemt ved skinner en foton av bølgelengde L på den, for å være xelectron = . Kombinere de to likningene for usikkerheten i elektronets momentum og sin posisjon får vi følgende uttrykk for sitt produkt: pelectron. xelectron = (h/) = h. Det viser seg at dette uttrykket er generelt sant for alle partikler, og vi kan skrive det endelig som p . x = h. Dette er en måte å skrive Heisenbergs Usikkerhet prinsipp. Problemet med denne avledning av Usikkerhet prinsipp er at det kan oppmuntre deg til å tenke at usikkerheten i resultatet, og faktisk en beskrivelse av hele merkelig oppførsel som vi observerer i dobbel slit eksperimentet er helt på grunn av uunngåelig forstyrrelse som vi gjør når vi observerer forsøket. Men dette er rett og slett ikke sant. Usikkerhetsprinsippet innebærer en innebygd, uunngåelig grense for nøyaktigheten som vi kan gjøre målinger. NOR er det lik eksperimentell usikkerhet forstått i klassisk fysikk. Det for eksempel, når vi ønsker å måle temperaturen i et begerglass med vann, er det absolutt sant at vi forstyrre temperaturen vi ønsker å måle ved å innføre en kald termometer inn i den, slik at temperaturen vi tiltaket er således ikke akkurat at av begeret alene. Men i prinsippet kan vi fjerne denne feilen, ved å måle med mindre og mindre ther mometers og ekstrapolere til null størrelse, i prinsippet (om ikke i praksis) kan vi dermed måle til vilkårlig høy nøyaktighet. Dette er ikke mulig i Quantum verden, takket være Heisenbergs Usikkerhet prinsipp. En ytterligere konsekvens er at fremtiden er ikke forutsigbar i klassisk forstand, for hvis vi ikke vet startbetingelsene nøyaktig - og Heisenberg prinsipp forteller oss at vi ikke kan - vi kan ikke lage nøyaktige anslag om fremtiden, uansett hvor presis og før -bestemmes er våre ligninger.   Oversatt s http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Key/quinterf.htm Hjemmeside
Globe Views

Copyright™ 2014: «QRATOR Creative Technologies»