ควอนตัม

ใน ช่วง20 ปีที่ผ่านมา ฉันต้องได้พูดคุยกับนักเรียนโรงเรียนมากกว่า 400 คนที่ต้องการเรียนฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ หัวข้อหนึ่งที่มักถูกพูดถึงในการสัมภาษณ์คือการทดลองแบบกรีดสองครั้งของ Young ซึ่งทำให้นักเรียนของฉันสนใจอย่างชัดเจน แต่เมื่อฉันถามพวกเขาว่าการทดลองนี้เกี่ยวกับอะไร ฉันมักจะบอกว่าพวกเขาเกี่ยวข้องกับการใช้อิเล็กตรอนเพื่อแสดงความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค 

ซึ่งเป็นหนึ่ง

ในรากฐานที่สำคัญของฟิสิกส์ควอนตัม นั่นเป็นเรื่องแปลกเพราะ Thomas Young ทำการทดลองของเขาในปี 1804 นานก่อนที่เราจะรู้อะไรเกี่ยวกับอิเล็กตรอนหรือโลกของอะตอมเสียอีก การทดลองกรีดสองครั้งดั้งเดิมของ Young นั้นแท้จริงแล้วเป็นการทดลองแรกที่แสดงให้เห็นถึงปรากฏการณ์การรบกวน 

เมื่อเขาฉายแสงผ่านช่องแคบๆ สองช่องและสังเกตรูปแบบที่สร้างขึ้นบนหน้าจอระยะไกล Young ไม่พบบริเวณที่สว่างสองจุดที่ตรงกับช่องดังกล่าว แต่กลับเห็นขอบที่สว่างและมืดแทน เขาอธิบายข้อสังเกตที่คาดไม่ถึงนี้โดยเสนอว่าแสงเป็นคลื่น ซึ่งตรงกันข้ามกับแนวคิดของนิวตันที่ว่าแสงประกอบด้วย

อนุภาค การทดลองเหล่านี้และคำอธิบายที่ตามมา จบลงด้วยกฎคลาสสิกของการแผ่รังสีที่ล้อมรอบด้วยรั้งในภายหลังที่ไม่เข้ากับทฤษฎีนี้ หนึ่งคือการวัดความหนาแน่นของรังสีที่ปล่อยออกมาจากวัตถุสีดำ ซึ่งไม่สามารถอธิบายได้โดยใช้กฎการแผ่รังสีที่เป็นที่ยอมรับซึ่งคิดค้นโดยลอร์ด เรย์ลีห์และเจมส์ ยีนส์ 

ซึ่งเรียกว่า “มหันตภัยรังสีอัลตราไวโอเลต” ปัญหานี้ทำให้มักซ์ พลังค์พัฒนาทฤษฎีทางเลือกในปี 1900 ซึ่งสันนิษฐานว่าหม้อน้ำของวัตถุดำมีพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง (เชิงปริมาณ) ซึ่งทำให้เขาทำนายข้อมูลการทดลองได้สำเร็จ ปัญหาที่สองคือโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟ็กต์ แสงนั้นสามารถเตะอิเล็กตรอน

ออกจากวัสดุได้ก็ต่อเมื่อมีความถี่สูงกว่าที่กำหนดเท่านั้น อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์สามารถขยายความคิดของพลังค์เพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้โดยทำนายว่าปริมาณรังสีจะถูกกำหนดเป็นปริมาณ ข้อมูลเชิงลึกนี้ยังช่วยให้เขาคาดการณ์ได้ว่าความเข้มของแสงขึ้นอยู่กับอัตราการตรวจพบอนุภาคพลังงานคงที่เหล่านี้ 

(ภายหลังเรียกว่าโฟตอน) 

ในทางตรงกันข้าม ทฤษฎีคลื่น ระบุว่าความเข้มควรเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูดของคลื่น การทำงานเพิ่มเติม ในแมนเชสเตอร์นำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีควอนตัม “เก่า” ซึ่งอธิบายโครงสร้างของอะตอมและเหตุใดสเปกตรัมของพวกมันจึงไม่ต่อเนื่องกัน หลายปีต่อมา หลุยส์ เดอ บรอยลีเสนอว่า

หากแสงสามารถถูกพิจารณาว่ามีคุณสมบัติทั้งแบบคลื่นและแบบอนุภาค บางทีสสารก็มีลักษณะสองอย่างเช่นกัน หลักฐานการทดลองที่สนับสนุนสิ่งนี้ตามมาในไม่ช้า ซึ่ง ได้พัฒนากลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบใหม่ที่เราใช้ในปัจจุบัน เฉพาะในทศวรรษที่ 1960 เท่านั้นที่ความเชื่อมโยงระหว่างการทดลอง

แบบ กับความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาคจะชัดเจนเมื่อดำเนินการเป็นครั้งแรกด้วยลำแสงอิเล็กตรอน

ความเชื่อมโยงระหว่างการทดลอง กับความเป็นคู่ระหว่างคลื่นและอนุภาคเริ่มชัดเจนขึ้นเมื่อศตวรรษที่แล้ว เมื่อพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัมได้รับการพิสูจน์อย่างมั่นคงแล้ว (ดูกรอบด้านบน) เรื่องราวเริ่มขึ้น

ในปี 1961 มากกว่า 130 ปีหลังจากการเสียชีวิต จากมหาวิทยาลัย ในเยอรมนี ทำการกลึงชุดของสลิตกว้าง 300 นาโนเมตรเป็นทองแดง แล้วฉายรังสีด้วยลำแสงอิเล็กตรอน 40 keV จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ภาพที่ได้แสดงรูปแบบการแทรกสอด เช่นเดียวกับมองเห็นด้วยแสงเป็นครั้งแรกเมื่อ 160 ปี

ก่อน การทดลองแบบกรีดสองครั้งครั้งแรกกับอิเล็กตรอนระบุว่าลำแสงอิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น แต่เนื่องจากJönssonไม่สามารถสร้างหรือวัดอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้ เขาจึงไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีลักษณะเหมือนคลื่น ในปีพ.ศ. 2508 ได้บรรยายชุดที่โด่งดังในขณะนี้

ซึ่งเขาได้อภิปรายว่าโดยหลักการแล้วการยิงอิเล็กตรอนเดี่ยวที่สลิตคู่จะทำให้เกิดรูปแบบการแทรกสอด ซึ่งแสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของคลื่นคู่และอนุภาค ของเรื่อง ไฟน์แมนไม่คิดว่าการทดลองทางความคิดของเขาจะเป็นไปได้ แต่ในอีกไม่กี่ทศวรรษข้างหน้า ความก้าวหน้าในเทคนิคการผลิตค่อยๆ

ทำให้โอกาสนี้

เข้าใกล้มากขึ้น ในที่สุด ในช่วงกลางทศวรรษที่ 2000และเพื่อนร่วมงานในอิตาลีได้แสดงให้เห็นการรบกวนของอิเล็กตรอนที่ผ่านรอยแยกกว้างเพียง 83 นาโนเมตร  และทีมงานของเขาใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ทำงานที่ 200 keV สามารถลดกระแสลำแสงให้อยู่ในระดับต่ำ

จนสามารถทำนายได้ด้วยความเป็นไปได้ที่สูงมากว่าจะมีอิเล็กตรอนไม่เกิน 1 ตัวอยู่ระหว่างแหล่งกำเนิดและตัวตรวจจับ ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง แต่เนื่องจากเครื่องตรวจจับมีข้อจำกัดหลายอย่าง จึงไม่สามารถวัดการรบกวนจากอิเล็กตรอนเดี่ยวได้โดยตรง จนกระทั่งในปี 2013 การทดลองครั้งแรกที่แสดงให้เห็นถึง

โรเจอร์ บาคและเพื่อนร่วมงานทำงานที่มหาวิทยาลัยเนแบรสกา-ลินคอล์นในสหรัฐฯ ใช้สลิตกว้าง 62 นาโนเมตร ซึ่งยิงอิเล็กตรอนด้วยพลังงานลำแสงเพียง 0.6 keV พลังงานที่ต่ำกว่ามากนี้ ซึ่งเพิ่มความยาวคลื่น de Broglie ของอิเล็กตรอนเมื่อเทียบกับการทดลองก่อนหน้านี้ 

ไม่เพียงสร้างการแยกรูปแบบการรบกวนที่กว้างขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยให้พวกมันใช้ตัวตรวจจับแผ่นช่องสัญญาณที่สามารถนับอิเล็กตรอนตัวเดียวได้ การทดลองยังให้ทีมของ Bach ขยับหน้ากากไปตามรอยแยก เพื่อให้แต่ละอันปิดแยกกัน หรือเปิดทั้งสองอย่างก็ได้ ในการทดลองเหล่านี้ ทีมงานได้

ลดความเข้มของลำแสงตกกระทบลงเพื่อให้ตรวจพบอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในแต่ละวินาที จึงรับประกัน (ความน่าจะเป็นมากกว่า 99.9999%) ว่าจะมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวอยู่ระหว่างแหล่งกำเนิดและตัวตรวจจับได้ตลอดเวลา การทดลองดำเนินการอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาสองชั่วโมง และในขั้นต้น อิเล็กตรอนแต่ละตัวดูเหมือนจะมาถึงจุดสุ่มบนหน้าจอ แต่เมื่อตรวจพบอิเล็กตรอนมากขึ้นเรื่อยๆ

credit: coachwalletoutletonlinejp.com tnnikefrance.com SakiMono-BlogParts.com syazwansarawak.com paulojorgeoliveira.com NewenglandBloggersMedia.com FemmePorteFeuille.com mugikichi.com gallerynightclublv.com TweePlebLog.com