За природата на светлината – малко история

Още в древна Гърция се е водил спор за природата на светлината. Евклид и Птолемей са мислели, че светлината е някакъв лъч, който се движи от окото към наблюдавания обект. Демокрит и Аристотел (c) http://bgchaos.com са смятали обратното. Близо 800 години след Птолемей, в Басра (днешен Ирак) Абу Али ал-Хасан Ибн ал-Хайтам решава този спор с един умен аргумент. Той отбелязал, че ако гледаме към слънцето дълго време ще се повредят очите ни, а: това е възможно само, ако светлината се движи от Слънцето към очите ни, а не обратното.

През средата на 17 век се появяват първите теории за природата на светлината – корпускулярната и вълновата.

Според корпускулярната светлината е поток от частици (корпускули – от лат. – телца), които се отделят от източника на светлина. Тези частици се движат през пространството и взаимодействат с веществото по законите на механиката. Тази теория обяснява законите на праволинейното разпространение на светлината, отражението и пречупването. Разработена е от сър Исак Нютон. Хюйгенс твърди обаче, че светлината е някакъв вид на вълна.

Частици или вълни? (This is my photo)

Аргументът на Нютон е, че светлината трябва да е от частици, защото преминава през космическия вакуум за да стигне от Слънцето до Земята, т.е. липсва “среда” за разпространение на вълните. За тази цел привържениците на вълновата теория въвеждат специална среда – “светоносен етер (ефир)”, за която споменахте в Принципа на Окам. Ако оставим настрана въпроса със средата, в подкрепа на вълновата теория са такива явления като дифракцията и интерференцията, които корпускулярната теория пък никак не може да обясни.

Томас Юнг

През 1801 г. Томас Юнг провежда опит, който дава много силни доказателства , че материята и енергията може да имат характеристиките и на вълна, и на частици. Опит, според който по-късно Той показва вероятностната в основата си природа на явленията от квантовата механика.

Илюстрация: wikipedia

Томас Юнг е един от най-блестящите умове в историята на науката. Юнг демонстрира своя гений в началото на живота – научил се е да чете доста добре от 2 годишна възраст, а на тринадесет години вече знаел добре латински, гръцки, френски и италиански. По-късно учи и египтология и частично дешифрира Розетския камък преди Шамполион. Лекар по образование, той е първият, който описва как лещата на човешкото око променя формата си за да се фокусира върху предмети на различни разстояния. Има значителни постижения в областта на физиката и в частност вълновата теория на светлината.

Същност на опита

В основната си версия, експериментът се състои в това: кохерентен източник на светлина (с постоянна дължина на вълната и постоянна фаза, например лазер) осветява тънка пластина с два успоредни процепа. Светлината, преминаваща през процепите пада върху екран зад пластината.

Резултат

Резултатът от опита на Юнг ще бъде твърде различен, в случай, че светлината е вълна или частица.

• ако светлината е частица:

Ако приемем, че светлината се състои от частици(c) http://bgchaos.com (според корпускулярната теория на Нютон), върху проекционния екран трябва да се видят само две успоредни ленти от светлина, преминаваща през процепа на екрана, а между тези светли ленти проекционният екран трябва да е практически неосветен.

Представете си, че пръскате боя от спрей през отворите и елементарните струйки са успоредни. Те биха отпечатали точната форма и големина на отворите

Ако светлината се състоеше от класически частици и тези частици са изстреляни по права линия през процепите, върху проекционния екран от другата страна ние щяхме да видим модел, съответстващ на размерите и формата на процепите.

Илюстрация bgchaos по studyphysics.ca

• ако светлината е вълна:

Ако светлината е вълна, резултатите са много различни. Първо – проекцията върху екрана е много по-широка от размерите на процепите и второ -тя представлява картина на интерференция..

Когато монохроматичната светлина достигне процепите, по закона на Хюйгенс-Френел точките в процепите стават вторични източници на сферични вълни и върху проекционния екран се появява познатата ни интерференчна картина на светли и тъмни ивици, резултат, които не може да се получи, ако светлината се състоеше просто от частици.

Илюстрация bgchaos по studyphysics.ca

Илюстрация: Естественнонаучная школа ТПУ

Как става това? Когато се засекат два върха от вълните, интензивността им се събира, а когато съвпаднат връх и падина, взаимно се нулират. За да се получи ясна интерференчна картина е необходимо дължината на вълните и честотата им да са еднакви за да се случи точно последователно съвпадение върхове и падини. Затова се използва и кохерентна (монохроматична) светлина.

Малко математика

Нека S е точков източник на светлина, разположен пред екрана с два паралелни процепа S₁ и S₂, с разстояние между процепите d и L – разстоянието между екрана с прорезите и проекционния екран Е .

Точката P е на екрана, с ордината y – разстоянието между P и ортогоналната проекция на S върху екрана Е.

Наличието на интерференция зависи от разликата в оптичната дължина между първия и втория път. Нека P е точка от екрана, върху която падат едновременно два лъча r₁ и r₂.

За тях може да приложим теоремата на Питагор:

r₂²=L² + ( x + d/2 )² ;  r₁²=L²+( x + d/2 )²    ,

      оттук r₂²- r₁²=2xd , или

Δ = r₂- r₁ = xd /( r₁ + r₂ )  .

Ако d << L и x<< L, следва r₁ + r₂ ≈ 2 L

Δ = 2xd /L

      Оттук получаваме, че максимумите на интензивност ще се наблюдават в случай, ако

x _max = ± m.λ₀.L/d     (m = 0, 1, 2, …)

      а минимумите, ако

x _max = ± (m + 1/2) .λ₀.L/d     (m = 0, 1, 2, …)

Разстоянието между два съседни максимуми (или минимуми) е равно на:

Δx = λ₀.L / d

От формулата следва, че Δx  е  обратно пропорционално на d и при голямо разстояние между S₁ и S₂ , например при  d ≈L , отделните ивици стават неразличими, сравними с дължината на вълната  λ₀ ≈ 10 ^-7 m. Затова е необходимо условието: d << L.

Експериментът може да се използва не само за да демонстрира факта на интереференцията, но и за да се получи приблизителната стойност на дължината на вълната на използваната светлина. Ако измерим Δx и знаейки  d  и L, може да изчислим дължината на вълната λ.

Томас Юнг пръв демонстрира това явление, което е недвусмислено показва, че светлината се състои от вълни. Експериментът играе жизнено важна роля в приемането на вълновата теория на светлината в началото на IX-ти век, противопоставяйки я на корпускулярната теория на светлината, предложена от Исак Нютон , която е била общоприет модел за светлината през 17-ти и 18-ти век.

Въпреки това, по-късно откритието на фотоелектричния ефект, показва, че при различни обстоятелства, светлина може да се държи така, сякаш е съставена от отделни частици. Тези на пръв поглед противоречиви открития, спомагат да се отиде отвъд класическата физика, да се достигне до квантовата природа на светлината.

Опитът на Юнг и квантовата механика

Според Ричард Файнман единственната тайна на квантовата механики е заключена в интерпретацията на един-единствен експеримент, този на Юнг, но изпълнен с електрони.

Експериментът на Юнг в електронен вариант

Опит, подобен на опита на Юнг, само че с електрони е проведен през
1989г. и блестящо потвърждава хипотезата на дьо Бройл за двойнствения корпускулярно-вълнов характер не само на фотоните, но и на елементарните частици

Схема: utoronto.ca

Вместо поток от слънчеви лъчи, които преминават през два успоредни процепа, поставяме електроннолъчева пушка в стъклена тръба, в която изтеглен всичкия въздух , т.е. има вакуум за да не влияе нищо на пътя на електроните.

Срещуположният край на тръбата има покритие от луминофор (вещество, което излъчва светлина, когато се „активира“ от поток от електрони – луминесценция ) като на екрана на телевизионните тръби. Всеки електрон при удар в луминофора оставя върху него светеща точка върху него, фиксирайки по този начин пристигането си във вид на частица. Интересно е, че отново се оформя интерференчна картина.

Този експеримент е провеждан много пъти, по различни начини с електрони и други частици и резултатът е един и същ, резултат, изводът от който е, че една единствена частица трябва да преминава едновременно през процепите – нещо, което противоречи на нашия всекидневен опит с дискретни обекти. Това явление е също така е доказателство, че електрони, протони, неутрони и дори по-големи микрочастици – фулерени (1999 г ), молекули с диаметър около 0,7  Nm , почти половин милион пъти по-големи от един протон, всички те имат поведение на вълна и дори собствени специфични честоти.

Илюстрацията вдясно показва промяната на вълновата функция на електрона при преминаването му през двата процепа. Степента на сивото представя плътността на вероятността на присъствието на електрона. Действителният размер на електрона всъщност много по-малък от областта на вероятността от присъствието му. Вижда се ясно, че електронът “интерферира със себе си”: интерференчните ленти са ясно забележими при преминаването през двата процепа както след преградата, така и преди нея.

Схема: fr.wikipedia

За да изследоват поведението на електрона учените правят редица разновидности на опита:

Изстрелване на електроните един по един

Схема: abyss.uoregon.edu	Какво би станало, ако намалим на потокът от електрони, ако пускаме електроните един по един, тогава как ще се образува интерференчна картина? Тогава ще виждаме следите от елекроните на пръв поглед случайно разпределени.
	Илюстрация: hitachi.com

След известно време, въпреки, че продължаваме да изпращаме електроните един по един, започват да се оформят интерференни ленти

Схема: abyss.uoregon.edu	Налага се изводът, че един електрон в известен смисъл трябва да премине през двете цепки едновременно и след това да интерферира сам със себе си, докато се движи към екрана.
	Илюстрация: hitachi.com

Луминисциращият детектор фиксира картината на разпределението на електроните или, което е същото, вероятността за наличието на частица в някаква точка.

Така, в квантовия свят, ние се сблъскваме с едно много странно поведение: електронът е вълна, докато не се локализира, а актът на откриването му го превръща в частица.

С детектори на частици в процепите

Какво би станало, ако поставим детектори на частици в близост до всеки един от процепите и да се опитваме “да хванем частите” от електрона, които преминават през съответния отвор? В този случай, квантът винаги ще бъде “хванат” да излиза от един от процепите, но никога от двата (което е логично, като се има предвид, че квантът е неделим по определение). И интерференчната картина изчезва, заменена от нормалното разпределение.

А какво се случва, ако инсталираме само един детектор в близост до един от процепите? Ами случва се това, че дори ако кванта не е уловен от детектора – минал е през другата дупка, интерференчната картина на екрана все пак изчезва (т.е. квантът някак си е “научил”, че го бройкат на другата дупка и отказва да се интерферира, като хитро се преструва този път на частица).

За да се регистрира, през кой от процепите е преминал един или друг електрон, трябва да се постави измервателен уред, който обаче работи със същите електромагнитни вълни. С други думи за да се регистрира електрона в пространството, се въздества върху него. А въздействайки върху него, променяме състоянието му. А променяйки състоянието му, се променя интерференчната картина – тя изчезва. Ако намалим въздействието до минимум, веднага ще започне да се наблюдава интерференция, но няма да може да се каже през кой отвор е минал електронът.

Правило, установено през 1927 г., гласи: електронът е или частица, или вълна, но никога не притежава свойствата на вълна и частица едновременно. Всеки опит да се установят едновременно както корпускулярните, така и вълновите свойства се сблъсква с принципа на неопределеността на Хайзенберг.

Принцип на допълнителността

Изглежда съществува връзка между принципа на неопределеността и дуализма вълна-частица, чието съществуване е формулирано от Нильс Бор 1927г. Той разглеждал съществуването на двете концепции: вълновата и корпускулярната като пример за проява на един природен закон, който той нарича принцип на допълнителността. При прилагането на квантовата теория, идеята на допълнителността е, че наблюдателят винаги има работа с двойка наблюдаеми величини, които се оказват несъвместими, но в същото време, необходими за пълното описание на реалността. Информация за едната от тях замъглява информацията от другата.

Сред тези двойки на несъвместима наблюдаеми величини Бор отбеляза пространственно-временното и енергийно-импулсното състояния на частицата, съответстващи на нейните вълнови и корпускулярни свойства.

Принципът на допълнителността лежи в основата на т.н. копенхагенска интерпретация на квантовата механика и анализа на процеса на измерване на характеристиките на микрочастиците. Съгласно тази интерпретация, заимстваните от класическата физика динамични характеристики на микрочастицата (координати, импулс, енергия и др.) съвсем не са присъщи на частицата сама по себе си.

Ето как обяснява концепцията на Бор, дьо Бройл : “Бор казва, че “има две взаимно допълващи се аспекти на реалността“:

• локализация във време-пространствата и
• динамично определяне чрез енергията и импулса

Това са като две различни равнини, на които не можем да се намираме точно едновременно.Да направи сравнение Да предположим, че имаме картина, някои части от която са нарисувани в равнината P, и други части -… на равнина P’, успоредна и много близо до първата. Акоразглеждаме картината с не много прецизен оптичен инструмент, можем “да видим” на една междинна равнина образ, достатъчно сходен с картината и ще ни се струва, че цялото изображение е на една равнина. Но ако вземем един много по-прецизен оптичен инструмент, няма да можем да виждаме едновременно ясно точките и на P, и на P’, колкото по-точно виждаме точка от равнина P, толкова голяма част от картината на P’ ще изглежда неясна и обратно;

В края на краищата, ще трябва да признаем, че картината не лежи в една равнина. Старата механика е аналогия на неточния инструмент: тя ни давашше илюзията на възможността веднага и точно да определим позицията на частицата и нейното състояние на движение Но с помощта на новата механика, която е аналогична на точния инструмент, ние сме принудени да признаем, че локализацията в пространството и времето и точното определяне на енергийното състояние са две страни на реалността, които не могат да се видят точно в едно и също време “.

Бройл Л. де. Въведение във вълновата механика, 1934

Салвадор Дали – Slave Market with the Disappearing Bust of Voltaire

Вероятностният характер на предсказанията и ролята наблюдателя в природата

Основното, по което квантовата механика се различава от класическата е, че нейните прогнози са винаги вероятностни. Това означава, че ние не можем да предскажем точно на кое място ще попадне, например, един електрон от експеримента на Юнг, колкото и съвършени средства за наблюдение и измерване да използваме. Може само да преценим шансовете му да бъде на определено място, като се прилагат за това понятия и методи от теорията на вероятностите, която се използва за анализ на такива неопределени ситуации.

В квантовата механика, всяко състояние на системата се описва от така наречената матрица на плътността, но за разлика от класическата механика, тази матрица определя параметрите на бъдещото състояние на системата само с една или друга степен на вероятност. Най-важният философски извод от квантовата механика е фундаментална несигурност на резултатите от измерванията и следователно невъзможността да се предвиди точно бъдещето. С други думи, настъпи краят на детерминизма на Лаплас

Това в комбинация с принципа на неопределённост на Хайзенберг, а и други теоретически и експериментални данни накарало някои учени да предположат, че микрочастиците въобще нямат никакви вътрешни свойства и те се появяват едва в момента на измерване. Някои парадокси на квантовата механика тласка някои до откровен солипсизъм, предполагайки, че ролята на съзнанието на експериментатора е определяща за съществуването на цялата Вселена, защото съгласно квантовата теория, именно наблюдението създава или частично създава наблюдаваното.

Какво писука около заешките дупки

През 2004г. излиза един филм What the Bleep!?: Down the Rabbit Hole , който стана хит, не само в САЩ, но и в Европа, че и у нас. Превърна се едва ли не в наукоподобна основа на New Age движението с претенции, че “изследва явления, които не е задължително да отговарят на конвенционалните научни модели“.

Основните факти от неврологията и квантовата механика, (c) http://bgchaos.com представени във филма, по същество са верни. Факти като принципа на неопределеността също е реален с реални последици. Но в тълкуването на явленията има доста неточности, които правят филма не особено полезен източник на знания.

Една от основните грешки в тълкуването на квантовата теория във филма е идеята “квантовата теория е наука на възможностите“. Директно се внушава, че откриването и развитието на квантовата механика по някакъв начин позволява да се случват чудеса като например ходене по вода. Всъщност квантовата теория е наука на вероятностите, въпреки че разграничението е неуловимо за някои, то е много важно.

Основната грешка във филма е, че той се опитва грубо да екстраполира явления, валидни само за микрочастиците в квантовия свят, в макросвета. Така или иначе целият филм е изпълнен с внушения, които може и добре да звучат като психологическа мотивация, но все пак тълкуват спекулативно квантовата механика. Може да прегледате откъс от популярния филм What the Bleep!?: Down the Rabbit Hole (2006)тук .

Особено атрактивен момент във филма е анимацията за опита на Юнг

В случая няма никакво мистериозно влияние на Наблюдателя върху експеримента, няма никаква магия, просто не можем да измерим позицията на електрона, без да променим състоянието му – за това говорихме в статията за принципа на неопределеността на Хайзенберг.

Пробивът. Дали не можем “слабо” за измерим кванта?

Редакционният екип на PhysicsWorld определи експеримента на група канадски учени от Университета в Торонто, начело с Ефраим Щайнберг за пробив Nо1 в областта на физиката за 2011г. Това, което прави постижението им толкова революционно е фактът, че тези млади канадски учени хвърлят предизвикателство към едно широко утвърдено мнение, че квантовата механика ни забранява каквито и било знания за пътя на отделните фотони в опита на Юнг.

От досегашните опити знаем, че интерференчната картина изчезва, когато се опитаме да определим през кой процеп минават отделните фотони. Използвайки нов метод – слаби измервания, Стайнберг и неговия екип успяват първи да проследят пътя на отделните фотони, неразрушавайки интерференчното изображение, успяват да изчислят средната им инерция.

Слабите измервания

Теорията за “слабите измервания” е предложена за първи път през 1988 г. и разработена от физика Якир Ахаронов и неговата група в университета в Тел Авив, Израел. Теорията гласи, че е възможно “слабо” измерване на системите и така да се получи някаква информация за някаква характеристика, без значително да нарушава принципа на допълнителността и така бъдещото развитие на цялата система. Въпреки, че информацията, получена за всяко измерване е минимална, средно на няколко измервания дава точна оценка на измерването на характеристиката без да се нарушава окончателния резултат.

Същност на експеримента

В своя експеримент, канадските учени заменят двойката процепи със светоделител (разцепващ светлинния поток) и двойка оптични влакна. Когато един фотон попадне на светоделителя, се придвижва по дясното или ляво влакно. След изхода от краищата на успоредните влакна се създават интерференчна картина на екрана на детектора.

BBC News

Слабото измерване става с преминаването на фотоните през късче калцит, който служи като поляризатор. В зависимост от посоката на разпространение, всеки фотон е различно поляризиран и посоката се измерва като функция от позицията.

Стойността на завъртане зависи от посоката на движение на фотона – с други думи, на неговия импулс. Това е последвано от изключително прецизно измерване на окончателната позиция на всеки фотон при удара му с екрана (детектора). Чрез комбиниране на позициите, неточно измерени в няколко точки и инерцията, точно измерена в края за всеки фотон, учените са в състояние точно да изградят цялостен модел на потока от фотони.

Измервайки импулсите на много фотони, изследователите са били в състояние да определят средния импулс на фотоните, съответстващ на определена позиция в детектора. След това те повтаряли измерването, увеличавайки разстоянието от процепите до детектора, а след това конструирали средните траектории на фотоните. При това интерференцията не се нарушавала.

3D изображение на вероятностите на положението на квантовата частица при преминаването й през аналогичния на опита на Юнг апарат. Изолиниите по 3D повърхността са експериментално конструирани от средните траектории.

Схема: Quantum Pie

Интересно е, че получените траектории се оказват много близо до това, което предсказва “нетрадиционната” (алтернативна или Копенхагенска) интерпретация на квантовата механика, известна като теория на пилотната вълна (pilot-wave theory), в която всяка частица има напълно определенна траектория, преминаваща само през едната дупка, а в същото време свъзаната с нея вълна преминава през двете процепа едновременно.

Щайнбег подчертава, че работата на неговата група не поставя под въпрос принципа на неопределенност, но “не е задължително да се интерпретира принцип на неопределеността толкова строго както често го правим.” Новите интерпретации на квантовата механика, като теорията на пилотната вълна може да ни помогне да мислим нестандартно.”

Ученият смята, че неговата работа да имат практически приложения, като например подобряване на логическите елементи на квантовите компютри, за сметка на повторението на тези операции, които не са “сработили” в предишни фази. “При нормалната интерпретация на квантовата механика, не могат да задават въпроси какво се е случило по-рано във времето. Необходимо е нещо подобно на слабото измерване, най-малко да постави тези въпроси.”

Източник:

Do the “Double Slit” Experiment the Way it Was Originally Done, Walter Scheider originally published in The Physics Teacher24 217-219, 1986
Young’s Double Slit Experiment, Mr. Clintberg, Department of Lifelong Learning.
The Feynman Double Slit, Department of Physics University of Toronto
Оптика, .physics.ru
ИСТИННЫЙ “КЕНТАВР” МИКРОМИРА, «НАУКА И ЖИЗНЬ»
Двухщелевой опыт, Лукоморие
Fentes de Young
New ‘Double Slit’ Experiment Skirts Uncertainty Principle, Scientific American, Nature
Принцип дополнительности, И.С.Алексеев
Physics World раскрывает свой топ-10 прорывов за 2011, physics-online.ru
Физики “нарушили” принцип неопределенности, cnews.ru
A quantum take on certainty, Nature
Watching Photons Interfere: “Observing the Average Trajectories of Single Photons in a Two-Slit Interferometer”, ScienceBlogs, Chad Orzel
The secret lives of photons revealed , physicsworld.com
Physics World reveals its top 10 breakthroughs for 2011, Physics World
Double-slit_experiment