Kiến thức Phổ thông

Thí nghiệm khe đôi của Young

Thí nghiệm ban đầu

Trong suốt thế kỷ XIX, các nhà vật lý đã có sự đồng thuận rằng ánh sáng hành xử giống như một làn sóng, phần lớn nhờ vào thí nghiệm khe đôi nổi tiếng được thực hiện bởi Thomas Young. Được thúc đẩy bởi những hiểu biết sâu sắc từ thí nghiệm và tính chất sóng mà nó đã chứng minh, một thế kỷ các nhà vật lý đã tìm ra môi trường mà ánh sáng đang vẫy, ether sáng . Mặc dù thí nghiệm đáng chú ý nhất với ánh sáng, nhưng thực tế là loại thí nghiệm này có thể được thực hiện với bất kỳ loại sóng nào, chẳng hạn như nước. Tuy nhiên, hiện tại, chúng ta sẽ tập trung vào hành vi của ánh sáng.

Thí nghiệm khe đôi của Young là gì?

Đầu những năm 1800 (1801 đến 1805, tùy theo nguồn), Thomas Young đã tiến hành thí nghiệm của mình. Anh ta cho phép ánh sáng đi qua một khe trong một rào chắn để nó mở rộng ra ở các mặt sóng từ khe đó như một nguồn sáng (theo Nguyên lý của Huygens ). Ánh sáng đó, lần lượt, đi qua cặp khe ở một rào chắn khác (cẩn thận đặt đúng khoảng cách từ khe ban đầu). Từng khe, lần lượt, làm nhiễu xạ ánh sáng như thể chúng cũng là những nguồn sáng riêng lẻ. Ánh sáng tác động đến một màn hình quan sát. Điều này được hiển thị bên phải.

Khi một khe duy nhất được mở, nó chỉ tác động đến màn hình quan sát với cường độ lớn hơn ở trung tâm và sau đó mờ dần khi bạn di chuyển ra khỏi trung tâm. Có hai kết quả có thể có của thí nghiệm này:

Giải thích hạt: Nếu ánh sáng tồn tại dưới dạng hạt, cường độ của cả hai khe sẽ là tổng cường độ từ các khe riêng lẻ.

Giải thích sóng: Nếu ánh sáng tồn tại dưới dạng sóng, sóng ánh sáng sẽ có giao thoa theo nguyên tắc chồng chất , tạo ra các dải ánh sáng (giao thoa tăng cường) và tối (giao thoa triệt tiêu).

Khi thí nghiệm được tiến hành, sóng ánh sáng thực sự đã cho thấy các kiểu giao thoa này. Hình ảnh thứ ba mà bạn có thể xem là biểu đồ cường độ theo vị trí, phù hợp với dự đoán từ nhiễu.

Tác động của thí nghiệm của Young

Vào thời điểm đó, điều này dường như đã kết luận một cách thuyết phục rằng ánh sáng truyền theo sóng, gây ra sự hồi sinh trong lý thuyết sóng của Huygen, bao gồm một môi trường vô hình, ether , qua đó sóng truyền qua. Một số thí nghiệm trong suốt những năm 1800, đáng chú ý nhất là thí nghiệm nổi tiếng Michelson-Morley , đã cố gắng phát hiện trực tiếp ether hoặc tác dụng của nó.

Tất cả đều thất bại và một thế kỷ sau, công trình của Einstein trong hiệu ứng quang điện và tính tương đối dẫn đến ether không còn cần thiết để giải thích hành vi của ánh sáng. Lại một lý thuyết hạt ánh sáng chiếm ưu thế.

Mở rộng thí nghiệm khe đôi

Tuy nhiên, một khi lý thuyết ánh sáng photon xuất hiện, nói rằng ánh sáng chỉ chuyển động trong lượng tử rời rạc, câu hỏi đã trở thành làm thế nào những kết quả này có thể. Trong nhiều năm, các nhà vật lý đã thực hiện thí nghiệm cơ bản này và khám phá nó theo nhiều cách.

Đầu những năm 1900, câu hỏi vẫn là làm thế nào ánh sáng – hiện được công nhận là truyền trong các “bó” năng lượng lượng tử giống như hạt, gọi là photon, nhờ lời giải thích của Einstein về hiệu ứng quang điện – cũng có thể biểu hiện hành vi của sóng. Chắc chắn, một loạt các nguyên tử nước (hạt) khi tác động cùng nhau tạo thành sóng. Có lẽ đây là một cái gì đó tương tự.

Một Photon tại một thời điểm

Có thể có một nguồn sáng được thiết lập để nó phát ra một photon mỗi lần. Điều này sẽ, theo nghĩa đen, giống như ném vòng bi siêu nhỏ qua các khe. Bằng cách thiết lập một màn hình đủ nhạy để phát hiện một photon duy nhất, bạn có thể xác định liệu có hoặc không có các mẫu nhiễu trong trường hợp này.

Một cách để làm điều này là thiết lập một bộ phim nhạy cảm và chạy thử nghiệm trong một khoảng thời gian, sau đó nhìn vào bộ phim để xem mô hình ánh sáng trên màn hình là gì. Chỉ một thí nghiệm như vậy đã được thực hiện và trên thực tế, nó khớp với phiên bản của Young – các dải sáng và tối xen kẽ, dường như là kết quả của sự giao thoa sóng.

Kết quả này vừa xác nhận vừa làm hoang mang lý thuyết sóng. Trong trường hợp này, các photon đang được phát ra riêng lẻ. Theo nghĩa đen không có cách nào để nhiễu sóng xảy ra bởi vì mỗi photon chỉ có thể đi qua một khe duy nhất tại một thời điểm. Nhưng sự giao thoa sóng được quan sát. Sao có thể như thế được? Chà, nỗ lực trả lời câu hỏi đó đã tạo ra nhiều cách giải thích hấp dẫn về  vật lý lượng tử , từ cách giải thích Copenhagen đến cách giải thích của nhiều thế giới.

Bây giờ giả sử rằng bạn tiến hành cùng một thử nghiệm, với một thay đổi. Bạn đặt một máy dò có thể cho biết liệu photon có đi qua một khe nhất định hay không. Nếu chúng ta biết photon đi qua một khe, thì nó không thể đi qua khe khác để can thiệp vào chính nó.

Nó chỉ ra rằng khi bạn thêm máy dò, các dải biến mất. Bạn thực hiện cùng một thử nghiệm chính xác, nhưng chỉ thêm một phép đo đơn giản ở giai đoạn trước và kết quả của thử nghiệm thay đổi mạnh mẽ.

Một cái gì đó về hành động đo khe nào được sử dụng đã loại bỏ hoàn toàn phần tử sóng. Tại thời điểm này, các photon hoạt động chính xác như chúng ta mong đợi một hạt hoạt động. Sự không chắc chắn về vị trí có liên quan, bằng cách nào đó, với biểu hiện của hiệu ứng sóng.

Nhiều hạt hơn

Trong những năm qua, thí nghiệm đã được tiến hành theo một số cách khác nhau. Năm 1961, Claus Jonsson đã thực hiện thí nghiệm với các điện tử và nó phù hợp với hành vi của Young, tạo ra các kiểu giao thoa trên màn hình quan sát. Phiên bản thử nghiệm của Jonsson được  độc giả Thế giới Vật lý bầu chọn là “thí nghiệm đẹp nhất” vào năm 2002.

Vào năm 1974, công nghệ đã có thể thực hiện thí nghiệm bằng cách phát hành một điện tử duy nhất tại một thời điểm. Một lần nữa, các mẫu nhiễu xuất hiện. Nhưng khi một máy dò được đặt ở khe, sự giao thoa lại một lần nữa biến mất. Thí nghiệm một lần nữa được thực hiện vào năm 1989 bởi một đội Nhật Bản có thể sử dụng các thiết bị tinh chế hơn nhiều.

Thí nghiệm đã được thực hiện với các photon, electron và nguyên tử và mỗi lần kết quả tương tự trở nên rõ ràng – một điều gì đó về việc đo vị trí của hạt tại khe sẽ loại bỏ hành vi sóng. Nhiều lý thuyết tồn tại để giải thích tại sao, nhưng cho đến nay phần lớn vẫn chỉ là phỏng đoán.

Xem thêm:

Độ âm điện là gì? Nguyên tố nào có độ âm điện cao nhất và thấp nhất?

Độ âm điện là gì? Định nghĩa độ âm điện Độ âm điện là tính chất của một nguyên tử ...
Xem thêm

Khối lượng là gì?

Tại sao lông nhẹ hơn gạch? Khối lượng là một thuật ngữ khoa học được sử dụng để mô tả ...
Xem thêm

Mô đun đàn hồi là gì?

Mô đun đàn hồi (E hoặc Y) là thước đo độ cứng hoặc khả năng chống biến dạng đàn hồi ...
Xem thêm

Lý thuyết trường thống nhất là gì?

Albert Einstein đã đặt ra thuật ngữ "Lý thuyết trường thống nhất", mô tả bất kỳ nỗ lực nào để ...
Xem thêm

Phản ứng hoá học là gì? Định nghĩa, phân loại và tính chất

Trong hóa học, độ phản ứng là thước đo mức độ dễ dàng của một chất trải qua phản ứng ...
Xem thêm

Vận tốc góc là gì: Định nghĩa và công thức tính toán

Định nghĩa vận tốc góc Vận tốc góc là một phép đo tốc độ thay đổi vị trí góc của ...
Xem thêm
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker