Youngin kaksoisrakokoe

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Kaksoisrakokokeessa valo kulkee kahden lähekkäin olevan raon läpi muodostaen tummemmista ja vaaleammista vyöhykkeistä muodostuvan kuvion takana olevalle heijastimelle. Näiden vyöhykkeiden muodostuminen riippuu rakojen kautta kulkevien valoaaltojen keskinäisestä interferenssistä; ne joko vahvistavat tai kumoavat toisiansa. Kokeen voi suorittaa myös elektronisäteillä tai yksittäisillä atomeilla, joista muodostuu vastaavanlaiset tummien ja vaaleiden alueiden vyöhykkeet. Tätä pidetään todisteena kvanttifysiikan selittämästä aalto-hiukkasdualismista.

Merkitys fysiikalle[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vaikka kaksoisrakokokeeseen viitataan usein kvanttimekaniikan yhteydessä, sen suoritti alun perin englantilainen tiedemies Thomas Young vuonna 1802 yrittäessään selvittää muodostuiko valo hiukkasista vai aalloista, jotka kulkevat jonkinlaisessa eetterissä kuten ääniaallot ilmassa.

Kokeessa havaitut interferenssikuviot eivät näyttäneet tukevan hiukkasteoriaa ja aaltoteoria olikin vahvoilla 1900-luvun alkuvuosiin asti, johon mennessä hiukkasteorian puolesta oli kertynyt niin paljon todisteita, että valon hiukkasteoria näytti olevan oikea ratkaisu jo haudassaan lepäävän Youngin kysymykseen.

Kaksoisrakokokeesta eri variaatioineen tuli klassinen ajatuskoe kvanttimekaniikan keskeisten kysymysten selvittämiseen. Kokeen variaatio elektronisäteillä toteutettuna tehtiin vasta vuonna 1961[1] ja yksittäisillä atomeilla vuonna 1974 Milanon yliopiston laboratoriossa tutkija Pier Giorgio Merlin johdolla.

Vuoden 1974 testin tulokset julkaistiin ja siitä tehtiin jopa lyhytfilmi, mutta se ei saavuttanut laajempaa huomiota. Koe toistettiin vuonna 1989 Japanissa Hitachin Tonomuran toimesta, joiden testilaiteissa näkyi 15 vuoden aikana tapahtunut elektroniikan kehitys. Heidän käyttämänsä menetelmät olivat tarkempia ja elegantimpia, mutta tulokset olivat samat kuin aikaisemmissakin kokeissa. Tonomura kirjoitti Merlin Italiassa tekemästä kokeesta, ettei siinä ollut havaittu yksittäisiä elektroneja, jotka ovat avainasemassa aalto-hiukkas-paradoksin esittämisessä. Merlin ja hänen työryhmänsä kokeen fotoneissa ja filmitallennuksissa näkyy kuitenkin selvästi yksittäisten elektronien esiintyminen vastoin Tonomuran kommentointia.

Kokeen selitys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

YoungsDoubleSlit.png

Alkuperäisessä Youngin kaksoisrakokokeessa auringonvalo kulkee ensin yksittäisen raon läpi ja sen jälkeen kahden ohuen pystysuoran raon läpi muutoin valoa läpäisemättömissä levyissä joiden takana olevan levyn (heijastin, varjostin) pinnalle interferenssikuviot muodostuvat ja josta ne ovat havaittavissa.

Kun toinen raoista peitetään, yksittäinen valohuippu on havaittavissa heijastimella valon kulkiessa raon läpi.

Kun molemmat raot ovat auki, näkyy heijastimella tummien ja vaaleiden viivojen muodostama interferenssikuvio eikä kahden yksittäisen raon huippujen summaa, jota voitaisiin odottaa näkyväksi jos valo muodostuisi hiukkasista.

Tämä kuvio voitiin parhaiten selittää valoaaltojen keskinäisenä vuorovaikutuksena eli interferenssinä, kun ne yhdistyivät uudelleen rakojen jälkeen. Tätä voitiin verrata aaltoihin vedessä, jossa aallot vaikuttavat toisiinsa muodostaen aallonhuippuja ja –pohjia. Kirkkaimmissa kohdissa on vahvistava vuorovaikutus, joissa kaksi valohuippua saapuvat varjostimelle samanaikaisesti. Tummemmissa kohdissa näkyy vaimentava vuorovaikutus, jossa valoaallonhuippu ja –pohja saapuvat samanaikaisesti heijastimelle.

Ajatuskoe[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuoteen 1920 lukuisissa kokeissa (esimerkiksi valosähköinen ilmiö) oli todettu, että valo vaikuttaa materiaan vain tietyillä ”kvantti”- paketeilla, joita kutsutaan fotoneiksi.

Jos auringonvalo korvataan valolähteellä joka pystyy tuottamaan yhden fotonin kerrallaan ja jos käytetään riittävän herkkää heijastinta joka pystyy havaitsemaan yksittäisen fotonin, voidaan Youngin koe suorittaa teoriassa fotoni kerrallaan, samoin tuloksin kuin muillakin kokeilla.

Jos toinen rako peitetään, yksittäiset fotonit osuessaan heijastimelle muodostavat ajan kanssa yhden huippukohdan aivan kuten yksittäisen raon aurinko valonlähteenä tapauksessa.

Mutta, jos molemmat raot avataan, muodostavat fotonit aikanaan sarjan tummia ja vaaleita kohtia käsittävän interferenssikuvion heijastimelle.

Tämä tulos näyttäisi samanaikaisesti sekä vahvistavan että kiistävän aaltoteorian. Toisaalta, interferenssikuvio todistaa, että valo käyttäytyy aaltomaisesti, vaikka sitä käsiteltiin fotoni kerrallaan.

Toisaalta taas, joka kerran kun tietyn suuruisen energian omaava fotoni lähetettiin valolähteestä, havaittiin heijastimella energialtaan vastaavansuuruinen fotoni. Koska fotonit lähetettiin yksitellen, eivät ne voineet olla keskenään vuorovaikutuksessa.

Moderni kvanttiteoria vastaa näihin kysymyksiin esittelemällä todennäköisyysaallot, jotka kuvaavat yksittäisen hiukkasen esiintymistodennäköisyyttä tietyssä paikassa. Nämä todennäköisyysaallot ovat keskenään vuorovaikutuksessa kuten tavalliset aallot.

Kokeen parannellussa versiossa kumpaankin rakoon laitetaan tunnistin osoittamaan kummasta raosta fotoni oli kulloinkin mennyt. Tällainen koejärjestely kuitenkin aiheuttaa sen, että viivoja ei tule heijastimelle johtuen aaltofunktion romahdukseen liittyvistä syistä.lähde?

Vuorovaikutuksen ehdot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Vuorovaikuttavien aaltojen pitää olla koherentteja eli valon on oltava samantaajuista ja samanvaiheista. Youngin kokeessa tähän päästiin ohjaamalla valo ensin yhden raon läpi, jonka aiheuttama diffraktio tuotti koherentin aallon. Nykyisin koherentteja valoaaltoja tuotetaan laserilla ja ilman ensimmäistä rakoa.
  • Rakojen täytyy olla lähellä toisiaan (n. 1000 kertainen valolähteen aallonpituuteen verrattuna), muutoin interferenssikuvio olisi liian lähellä havaittavaksi.
  • Rakojen leveys on tavallisesti hiukan pienempi kuin käytetyn valon aallonpituus (λ) siitä syystä, että rakoja voitaisiin pitää pistemäisinä palloaaltojen lähteinä sekä vähentämään yksittäisen raon aiheuttaman diffraktion vaikutuksia tuloksiin.

Havaittuja tuloksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Heijastimella havaitut kirkkaat vyöhykkeet muodostuvat, kun valo on vahvistavassa vuorovaikutuksessa, eli kun aallonhuiput kohtaavat heijastimella. Tummat kohdat varjostimella ilmenevät kun aallonhuippu ja aallonpohja kohtaavat.

Yhdistävä kaava rakojen keskinäisen välin , valon aallonpituuden , varjostimen etäisyyden raoista ja vyöhykkeiden leveyden (vyöhykkeiden keskikohtien välinen etäisyys) välillä on:

.

Tämä on vain likiarvo ja riippuu tietyistä ehdoista.

Valon aallonpituus voidaan laskea käyttämällä tätä kaavaa ja edellä mainittua laitteistoa. Jos ja tunnetaan ja mitataan, voidaan laskea helposti.

Shahriar Afsharin koe[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuoden 2004 maaliskuussa Shahriar Afshar julkisti Harvardin yliopistossa tulokset variaatiolla (two-pin-hole "which-way" experiment) tästä kokeesta, jossa Afshar väittää kumonneensa Niels Bohrin täydentävyyden periaatteen. Tulokset julkaistiin myös New Scientist -lehdessä vuoden 2004 heinäkuussa.[2][3]

Afsharin kokeella voidaan havaita interferenssivyöhykkeitä, vaikka fotoneiden kulkureittiä tarkkailtiinkin, mistä on vedettävissä johtopäätös, että aaltofunktio ei romahda. Jos nämä tulokset vahvistetaan, tulee sillä olemaan kauaskantoiset seuraukset kvanttimaailman ymmärtämisessä. Se myös aiheuttaisi nykyisin yleisesti hyväksytyn Kööpenhaminan tulkinnan hylkäämisen.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Claus Jönsson, Zeitschrift für Physik, 161, 454; Electron diffraction at multiple slits, American Journal of Physics, 42, 4–11, 1974
  2. [1]
  3. [2]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]