Двухщелевой опыт Юнга

Как запечатлеть корпускулярно-волновой дуализм

Юлия Кузьмина для ПостНауки

Схема, на которой изображен опыт Юнга — первый в истории эксперимент, продемонстрировавший интерференцию света. Томас Юнг представил результаты своих исследований в 1803 году на заседании Лондонского королевского общества.

На языке современной физики суть эксперимента формулируется следующим образом. Яркий свет солнечных лучей направляют на первый непрозрачный экран с небольшой прорезью, чтобы создать источник монохроматического свет, то есть пучок света с небольшим разбросом частот. Затем полученный пучок падает на второй экран, на котором были проделаны две узкие щели на небольшом расстоянии друг от друга. При этом размер каждой щели примерно соответствует длине волны излучаемого первой прорезью света. В результате этого образуются два когерентных источника света с одинаковой частотой и общей разностью фаз колебания. Волны из этих источников начинают накладываться друг на друга, что ведет к их взаимному усилению или ослаблению на разных участках, то есть образуется устойчивая картина максимумов и минимумов амплитуды колебаний. Это явление получило название интерференции. В результате на третьем экране можно наблюдать череду светлых и темных полос. Темные полосы будут возникать там, где волны от двух щелей загасили друг друга, светлые — там, где они усилились.

Чем это интересно для науки?

Опыт Юнга является классической иллюстрацией ошибочности теорий, рассматривающих свет исключительно как поток частиц. Если бы фотоны проявляли исключительно корпускулярные свойства, то на экране были бы два ярко освещенных участка позади щелей и темный участок между ними. Благодаря эксперименту Юнга физики стали обязаны учитывать волновые свойства света.

Впоследствии опыты с двумя щелями совершенствовались технически, и с их помощью удалось продемонстрировать, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для фотонов света. Интерференция наблюдалась при бомбардировании экрана потоками электронов, протонов, атомов и молекул. Кроме того, волновые свойства проявляли даже одиночные частицы, которые умудрялись проходить одновременно через две щели благодаря пребыванию в квантовой суперпозиции. На данный момент самым большим объектом, проявившим такие свойства, стала молекула из 2000 атомов.

Почему это важно знать?

Опыт Томаса Юнга по праву может считаться одним из первых провозвестников квантовой теории. Разработанные в будущем вариации эксперимента с двумя щелями многократно помогали расширять представления науки о квантовых свойствах частиц. Ричард Фейман, один из самых влиятельных физиков-теоретиков, считал, что они демонстрируют явления, «лежащие в самом сердце квантовой механики».