Eksperimen Celah Ganda Thomas Young

Sepanjang abad kesembilan belas, fisikawan memiliki konsensus bahwa cahaya berperilaku seperti gelombang, sebagian besar berkat eksperimen celah ganda terkenal yang dilakukan oleh Thomas Young. Didorong oleh wawasan dari percobaan, dan sifat-sifat gelombang yang diperlihatkannya, seabad fisikawan mencari medium di mana cahaya melambai, eter bercahaya. Meskipun percobaan ini paling terkenal dengan cahaya, faktanya adalah eksperimen semacam ini dapat dilakukan dengan semua jenis gelombang, seperti air. Untuk saat ini, bagaimanapun, kita akan fokus pada perilaku cahaya.

Pada awal 1800-an (1801 hingga 1805, tergantung pada sumbernya), Thomas Young melakukan eksperimennya. Dia membiarkan cahaya melewati celah di penghalang sehingga itu berkembang di depan gelombang dari celah itu sebagai sumber cahaya (di bawah Prinsip Huygens). Cahaya itu, pada gilirannya, melewati sepasang celah di penghalang lain (dengan hati-hati menempatkan jarak yang tepat dari celah asli). Setiap celah, pada gilirannya, mendifraksi cahaya seolah-olah mereka juga sumber cahaya individu. Cahaya memengaruhi layar observasi. Ini ditunjukkan di sebelah kanan.

Ketika satu celah terbuka, itu hanya berdampak pada layar pengamatan dengan intensitas yang lebih besar di tengah dan kemudian memudar saat Anda menjauh dari pusat. Ada dua kemungkinan hasil percobaan ini:

Interpretasi partikel: Jika cahaya ada sebagai partikel, intensitas kedua celah akan menjadi jumlah intensitas dari celah individu.

Interpretasi gelombang: Jika cahaya ada sebagai gelombang, gelombang cahaya akan memiliki gangguan di bawah prinsip superposisi, menciptakan pita cahaya (gangguan konstruktif) dan gelap (gangguan destruktif).

Ketika percobaan dilakukan, gelombang cahaya memang menunjukkan pola interferensi ini. Gambar ketiga yang dapat Anda lihat adalah grafik intensitas dalam hal posisi, yang cocok dengan prediksi dari gangguan.

Pada saat itu, ini tampaknya secara meyakinkan membuktikan bahwa cahaya bergerak dalam gelombang, menyebabkan revitalisasi dalam teori gelombang cahaya Huygen, yang termasuk media yang tidak terlihat, eter, di mana gelombang merambat. Beberapa percobaan sepanjang 1800-an, terutama yang terkenal Percobaan Michelson-Morley, berusaha mendeteksi eter atau dampaknya secara langsung.

Mereka semua gagal dan satu abad kemudian, karya Einstein di efek fotoelektrik dan relativitas mengakibatkan eter tidak lagi diperlukan untuk menjelaskan perilaku cahaya. Sekali lagi teori partikel cahaya mendominasi.

Tetap saja, dulu foton teori cahaya muncul, mengatakan bahwa cahaya hanya bergerak dalam kuanta diskrit, pertanyaannya menjadi bagaimana hasil ini mungkin. Selama bertahun-tahun, fisikawan telah melakukan percobaan dasar ini dan menjelajahinya dalam beberapa cara.

Pada awal 1900-an, pertanyaannya tetap seberapa ringan - yang sekarang dikenal untuk bepergian dalam "bundel" partikel seperti energi terkuantisasi, yang disebut foton, berkat penjelasan Einstein tentang efek fotolistrik - juga dapat menunjukkan perilaku tersebut gelombang. Tentu saja, sekelompok atom air (partikel) ketika bertindak bersama membentuk gelombang. Mungkin ini sesuatu yang serupa.

Menjadi mungkin untuk memiliki sumber cahaya yang dipasang sehingga memancarkan satu foton pada satu waktu. Ini akan, secara harfiah, seperti melemparkan bantalan bola mikroskopis melalui celah. Dengan mengatur layar yang cukup sensitif untuk mendeteksi satu foton, Anda dapat menentukan apakah ada pola interferensi dalam kasus ini.

Salah satu cara untuk melakukan ini adalah membuat film sensitif mengatur dan menjalankan percobaan selama periode waktu tertentu, kemudian melihat film untuk melihat apa pola cahaya pada layar. Hanya percobaan seperti itu dilakukan dan, pada kenyataannya, itu cocok dengan versi Young secara identik - band-band terang dan gelap, yang tampaknya dihasilkan dari gangguan gelombang.

Hasil ini mengkonfirmasi dan membingungkan teori gelombang. Dalam hal ini, foton dipancarkan secara individual. Tidak ada cara untuk gangguan gelombang terjadi karena setiap foton hanya bisa melalui celah tunggal pada suatu waktu. Tetapi gangguan gelombang diamati. Bagaimana ini mungkin? Nah, upaya untuk menjawab pertanyaan itu telah melahirkan banyak interpretasi menarik fisika kuantum, dari interpretasi Kopenhagen ke interpretasi banyak-dunia.

Sekarang asumsikan bahwa Anda melakukan percobaan yang sama, dengan satu perubahan. Anda menempatkan detektor yang dapat mengetahui apakah foton melewati celah yang diberikan atau tidak. Jika kita tahu foton melewati satu celah, maka itu tidak dapat melewati celah yang lain untuk mengganggu dirinya sendiri.

Ternyata saat Anda menambahkan detektor, pita hilang. Anda melakukan percobaan yang sama persis, tetapi hanya menambahkan pengukuran sederhana pada fase sebelumnya, dan hasil percobaan berubah secara drastis.

Sesuatu tentang tindakan mengukur celah mana yang digunakan menghilangkan elemen gelombang sepenuhnya. Pada titik ini, foton bertindak persis seperti yang kita harapkan dari sebuah partikel. Ketidakpastian dalam posisi terkait, entah bagaimana, dengan manifestasi efek gelombang.

Selama bertahun-tahun, percobaan telah dilakukan dengan berbagai cara. Pada tahun 1961, Claus Jonsson melakukan percobaan dengan elektron, dan itu sesuai dengan perilaku Young, menciptakan pola interferensi pada layar pengamatan. Versi percobaan Jonsson terpilih sebagai "eksperimen paling indah" oleh Dunia Fisika pembaca pada tahun 2002.

Pada tahun 1974, teknologi menjadi mampu melakukan percobaan dengan melepaskan satu elektron pada suatu waktu. Sekali lagi, pola interferensi muncul. Tetapi ketika detektor ditempatkan di celah, gangguan sekali lagi menghilang. Eksperimen itu kembali dilakukan pada tahun 1989 oleh tim Jepang yang mampu menggunakan peralatan yang jauh lebih halus.

Percobaan telah dilakukan dengan foton, elektron, dan atom, dan setiap kali hasilnya sama menjadi jelas - sesuatu tentang mengukur posisi partikel pada celah menghilangkan gelombang tingkah laku. Banyak teori yang ada untuk menjelaskan alasannya, tetapi sejauh ini masih banyak dugaan.