¿Cómo se propuso el experimento de interferencia de doble rendija? ¿Por qué algunas personas dicen que es raro? ¿Puede realmente la conciencia cambiar las franjas de interferencia?
Origen - El debate entre la teoría de partículas y la teoría ondulatoria de la luz Desde la época de Newton, la naturaleza de la luz ha sido controvertida en la comunidad científica. En la comunidad científica de aquella época había dos puntos de vista completamente diferentes. Una opinión es que Newton creía que la luz es una partícula, y la otra opinión es que Hooke, Huygens y otros creían que la luz es una onda. Debido a la posición dominante y al prestigio de Newton en la física, su teoría de las partículas ligeras eclipsó la teoría de la fluctuación de la luz y se convirtió en la visión dominante en la comunidad científica durante los siguientes 100 años.
No fue hasta 1801, tras la publicación de "La Óptica de Newton", que el científico británico Thomas Young revirtió esta situación con un experimento, resucitando la teoría de las fluctuaciones de la luz e incluso convirtiéndose en corriente principal. ¡Este experimento es el experimento de interferencia de doble rendija!
Una prueba poderosa de la teoría de la fluctuación de la luz: el experimento de interferencia de doble rendija se deriva del experimento de difracción de rendija simple. El experimento de difracción de rendija simple hace que un haz de luz pase a través de dos rendijas muy cercanas entre sí. y proyectar en la ranura de la pantalla trasera. En términos generales, cuando la luz pasa a través de una rendija vertical, sufre difracción, el fenómeno en el que la luz se curva y viaja alrededor de obstáculos. En lugar de franjas verticales brillantes, lo que ves en la pantalla son franjas horizontales de luz. (Como se muestra en la imagen a continuación) Este fenómeno fue descubierto por el sacerdote jesuita italiano Grimaldi ya en el siglo XVII y lo llamó difracción.
Cuando las bandas brillantes de las dos costuras se superponen detrás de la pantalla, en teoría debería mostrarse la banda más brillante, pero sucede algo mágico y, finalmente, las rayas claras y oscuras se muestran en la pantalla...(imagen abajo) Abajo)
Esto es algo extraño, porque debería haber luz en las líneas oscuras de estas franjas, pero cuando la luz de las dos costuras se superpone, no hay luz en esos lugares. Este fenómeno no puede explicarse mediante la teoría de partículas de Newton. Inspirándose en la interferencia de las ondas del agua, Thomas Young propuso que la luz es una onda y que las líneas oscuras se producen por la interferencia de las ondas de luz.
La teoría de la resurrección de las partículas de luz: el efecto fotoeléctrico de Einstein La revolución en la comprensión humana del universo siempre está impulsada por unos pocos genios. Han pasado cien años desde que el experimento de interferencia de la doble rendija demostró la teoría ondulatoria de la luz. Un genio refrescó una vez más la comprensión de la luz por parte de la gente. Este genio fue Einstein, el físico más grande del siglo XX.
En 1905, Einstein, que acababa de doctorarse en física y todavía trabajaba como empleado en la oficina de patentes, publicó un artículo titulado "Visiones heurísticas sobre la emisión y transformación de la luz", basado sobre la teoría de la luz. Explica el efecto fotoeléctrico como una forma cuántica de energía. Esta innovadora teoría le valió el Premio Nobel de Física en 1921.
Exploración de partículas y ondas - La propuesta de cuantos de luz en el experimento de doble rendija de un solo fotón revivió la teoría de las partículas de luz, pero surgió la pregunta: ¿Es la luz una partícula o una onda? Existe evidencia experimental para ambas formas y ambas parecen ser correctas. Pero el problema vuelve a surgir. Las ondas y las partículas son dos propiedades completamente diferentes. ¿En qué circunstancias la luz se comporta como una onda? ¿En qué circunstancias aparecerán las características de las partículas?
Cuatro años después de que se propusiera la hipótesis cuántica de la luz, el estudiante británico de posgrado en física Geoffrey Taylor diseñó un experimento de doble rendija con poca luz. Usó vidrio ennegrecido para reducir en gran medida el brillo de la fuente de luz, hasta que, en teoría, solo pasaba un fotón entre la fuente de luz y la pantalla en cualquier momento. Luego usó la película fotográfica de su cámara para tomar una exposición prolongada y registrar la luz que pasaba a través de la doble rendija.
Después de revelar la foto, apareció una escena mágica. Aunque los fotones pasan uno tras otro a través de las rendijas dobles, en la foto de exposición final siguen apareciendo franjas de interferencia claras y oscuras.
Esto significa que incluso si solo un fotón pasa a través de la doble rendija, seguirá interfiriendo. Entonces, ¿con quién está interfiriendo el fotón? Parece haber sólo una explicación: los fotones interfieren consigo mismos.
Física extraña: el problema de la dualidad onda-partícula de la luz no fue resuelto hasta más de 10 años después por el científico francés de Broglie. Propuso la dualidad onda-partícula en su tesis doctoral en física. Señaló que no sólo los fotones, sino también todas las partículas microscópicas tienen características de ondas, a las que llamó ondas de materia. La teoría de la onda de materia predice que un solo electrón también puede producir franjas de interferencia al pasar a través de rendijas dobles.
¿Cuándo las ondas de luz se convierten en partículas? Después de determinar la dualidad onda-partícula de la luz, surgió una pregunta ante los científicos: ¿Cuándo se convirtieron las ondas de luz en partículas?
Un hecho obvio es que en todos los experimentos, ¡la luz finalmente aparece en forma de partículas! Por ejemplo, en el efecto fotoeléctrico, se expulsan electrones y aparecerán algunos puntos de luz esporádicos en las fotografías subexpuestas. Entonces la respuesta es obvia: la luz es partículas cuando se observa. En otras palabras, ¿la observación convierte las ondas en partículas? ¿Qué pasa si la medición ocurrió antes? Los científicos decidieron perfeccionar el experimento de interferencia de la doble rendija, midiendo por qué rendija pasan las partículas.
El mito en los libros de divulgación científica: las franjas de interferencia desaparecen de un vistazo... Mucha gente ha visto que las descripciones de los experimentos de observación de interferencias de doble rendija en los libros de divulgación científica son historias casi míticas. Algunas historias se captan con una cámara, otras son más sencillas y se ven directamente con los ojos. Obviamente, estas descripciones no son hechos sino algunos experimentos mentales imaginarios. Estos experimentos mentales parecen ahora muy engañosos.
¡La observación directa no hará que desaparezcan las franjas de interferencia! No importa si lo miras con los ojos o lo tomas con una cámara, ¡no funcionará!
Revelando el secreto: no es sorprendente observar franjas de interferencia, puede ser diferente de lo que mucha gente imagina. En realidad, los resultados experimentales que observaron la desaparición de las interferencias no asustaron a los científicos, sino que los resultados surgieron en respuesta a sus expectativas. ¡Lo que los científicos realmente quieren hacer no es observar, sino medir!
¿Quieren medir por qué hueco pasan las partículas y cómo lo atraviesan? Tomando los fotones como ejemplo, no hay manera de ver el fotón desde un lado sin perturbarlo, por lo que el método de medición es en realidad pasar el fotón a través de una de las rendijas... por ejemplo, colocar un polarizador vertical en una de las las rendijas, de esta manera, todos los fotones polarizados horizontalmente no pueden pasar a través de esta rendija...
Viendo la inteligencia aquí, debes haber descubierto algo sospechoso. ¿Qué tiene de especial que la luz sólo pueda pasar a través de uno de los huecos? ¿No es esto equivalente a una sola costura? Dijimos antes que los fotones interfieren entre sí. Ahora el fotón sólo puede pasar a través de una de las grietas. ¿Con quién más podrían interferir? …
¿Qué es realmente raro? En resumen, no es sorprendente que la observación haga desaparecer las franjas de interferencia, ¡pero esto no significa que la mecánica cuántica no sea extraña! ¡Lo realmente extraño de la mecánica cuántica es el estado "fluctuante" de las partículas microscópicas antes de ser observadas! Este estado de onda se llama estado de superposición. ¡Lo realmente extraño de la mecánica cuántica es este estado de superposición! Pero esto está más allá del alcance de este artículo; hablaremos de los estados de superposición más adelante.
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