Experiência de dupla fenda de Thomas Young

Ao longo do século XIX, os físicos tiveram um consenso de que a luz se comportava como uma onda, em grande parte graças ao famoso experimento de dupla fenda realizado por Thomas Young. Impulsionado pelas idéias do experimento e pelas propriedades das ondas que ele demonstrou, um século de físicos procurou o meio pelo qual a luz estava acenando, o éter luminoso. Embora o experimento seja mais notável com a luz, o fato é que esse tipo de experimento pode ser realizado com qualquer tipo de onda, como a água. No momento, no entanto, vamos nos concentrar no comportamento da luz.

No início de 1800 (1801 a 1805, dependendo da fonte), Thomas Young conduziu seu experimento. Ele permitiu que a luz passasse através de uma fenda em uma barreira, expandindo-se em frentes de onda a partir dessa fenda como fonte de luz (sob Princípio de Huygens). Essa luz, por sua vez, passou pelo par de fendas em outra barreira (cuidadosamente posicionada a distância certa da fenda original). Cada fenda, por sua vez, difratou a luz como se também fossem fontes individuais de luz. A luz impactou uma tela de observação. Isso é mostrado à direita.

Quando uma única fenda era aberta, ela simplesmente impactava a tela de observação com maior intensidade no centro e depois desaparecia à medida que você se afastava do centro. Existem dois resultados possíveis para esse experimento:

Interpretação de partículas: Se a luz existir como partículas, a intensidade de ambas as fendas será a soma da intensidade das fendas individuais.

Interpretação de ondas: Se a luz existir como ondas, as ondas de luz terão interferência sob o princípio de superposição, criando faixas de luz (interferência construtiva) e escura (interferência destrutiva).

Quando o experimento foi realizado, as ondas de luz realmente mostraram esses padrões de interferência. Uma terceira imagem que você pode visualizar é um gráfico da intensidade em termos de posição, que corresponde às previsões de interferência.

Na época, isso parecia provar conclusivamente que a luz viajava nas ondas, causando uma revitalização na teoria da luz das ondas de Huygen, que incluía um meio invisível, éter, através do qual as ondas se propagaram. Diversas experiências ao longo do século XIX, principalmente as famosas Experiência de Michelson-Morley, tentou detectar diretamente o éter ou seus efeitos.

Todos eles falharam e, um século depois, o trabalho de Einstein no efeito fotoelétrico e a relatividade fez com que o éter não fosse mais necessário para explicar o comportamento da luz. Novamente, uma teoria das partículas da luz assumiu o domínio.

Ainda assim, uma vez que o fóton Como a teoria da luz surgiu, dizendo que a luz se movia apenas em quanta discretos, a questão tornou-se como esses resultados eram possíveis. Ao longo dos anos, os físicos fizeram esse experimento básico e o exploraram de várias maneiras.

No início de 1900, permaneceu a questão de como a luz - que agora era reconhecida por viajar em "feixes" de partículas energia quantizada, chamada fótons, graças à explicação de Einstein do efeito fotoelétrico - também pode exibir o comportamento de ondas. Certamente, um monte de átomos de água (partículas) quando atuam juntos formam ondas. Talvez isso fosse algo semelhante.

Tornou-se possível ter uma fonte de luz configurada para emitir um fóton por vez. Isso seria, literalmente, como arremessar rolamentos microscópicos de esferas pelas fendas. Configurando uma tela sensível o suficiente para detectar um único fóton, você pode determinar se havia ou não padrões de interferência nesse caso.

Uma maneira de fazer isso é configurar um filme sensível e executar o experimento por um período de tempo; depois, observe o filme para ver qual é o padrão de luz na tela. Apenas esse experimento foi realizado e, de fato, correspondia à versão de Young de forma idêntica - alternando faixas claras e escuras, aparentemente resultantes da interferência das ondas.

Este resultado confirma e confunde a teoria das ondas. Nesse caso, os fótons estão sendo emitidos individualmente. Não há literalmente nenhuma maneira de ocorrer interferência de ondas, porque cada fóton pode apenas passar por uma única fenda de cada vez. Mas a interferência das ondas é observada. Como isso é possível? Bem, a tentativa de responder a essa pergunta gerou muitas interpretações intrigantes de física quântica, da interpretação de Copenhague à interpretação de muitos mundos.

Agora suponha que você conduza o mesmo experimento, com uma alteração. Você coloca um detector que pode dizer se o fóton passa ou não por uma fenda. Se sabemos que o fóton passa por uma fenda, ele não pode passar pela outra fenda para interferir consigo mesmo.

Acontece que quando você adiciona o detector, as bandas desaparecem. Você executa exatamente o mesmo experimento, mas apenas adiciona uma medida simples em uma fase anterior, e o resultado do experimento muda drasticamente.

Algo sobre o ato de medir qual fenda é usada removeu completamente o elemento onda. Nesse ponto, os fótons agiam exatamente como esperávamos que uma partícula se comportasse. A própria incerteza na posição está relacionada, de alguma forma, à manifestação dos efeitos das ondas.

Ao longo dos anos, o experimento foi conduzido de várias maneiras diferentes. Em 1961, Claus Jonsson realizou o experimento com elétrons, e ele se conformou com o comportamento de Young, criando padrões de interferência na tela de observação. A versão de Jonsson do experimento foi eleita "o experimento mais bonito" por Mundo da Física leitores em 2002.

Em 1974, a tecnologia tornou-se capaz de realizar o experimento liberando um único elétron por vez. Mais uma vez, os padrões de interferência apareceram. Mas quando um detector é colocado na fenda, a interferência desaparece mais uma vez. O experimento foi novamente realizado em 1989 por uma equipe japonesa que foi capaz de usar muito mais equipamentos refinados.

O experimento foi realizado com fótons, elétrons e átomos, e cada vez o mesmo resultado torna-se óbvio - algo sobre medir a posição da partícula na fenda remove a onda comportamento. Existem muitas teorias para explicar o porquê, mas até agora muitas delas ainda são conjecturas.