לאורך המאה התשע-עשרה היו לפיזיקאים הסכמה כי האור התנהג כמו גל, בחלקו הגדול הודות לניסוי הכפול המפורסם שביצע תומאס יאנג. מונע על ידי התובנות מהניסוי, ותכונות הגל שהוא הפגין, מאה פיסיקאים חיפשו את המדיום דרכו אור נפנף, את אתר זוהר. למרות שהניסוי בולט ביותר באור, העובדה היא שניתן לבצע ניסויים מסוג זה בכל סוג של גל, כגון מים. עם זאת, כרגע נתמקד בהתנהגות האור.
מה היה הניסוי?
בתחילת 1800s (1801 עד 1805, תלוי במקור), תומאס יאנג ערך את הניסוי שלו. הוא איפשר לאור לעבור דרך חריץ במכשול כך שהוא התפשט בחזיתות גל מאותו חריץ כמקור אור (מתחת עקרון הויגנס). האור הזה, בתורו, עבר דרך זוג החריצים במכשול אחר (הניח בזהירות את המרחק הנכון מהחריץ המקורי). כל חריץ, בתורו, פיזר את האור כאילו היו גם מקורות אור בודדים. האור השפיע על מסך תצפית. זה מוצג מימין.
כאשר חריץ בודד היה פתוח, הוא רק השפיע על מסך התצפית בעוצמה רבה יותר במרכז ואז דעך כאשר התרחקת מהמרכז. יש שתי תוצאות אפשריות של ניסוי זה:
פרשנות החלקיקים: אם האור קיים כחלקיקים, עוצמת שתי החריצים תהיה סכום העוצמה מחריצים האישיים.
פרשנות גל: אם האור קיים כגלים, יהיו גלי האור הפרעה תחת עקרון הסופרפוזיציה, יצירת רצועות אור (הפרעה קונסטרוקטיבית) ואפלה (הפרעה הרסנית).
כאשר נערך הניסוי, גלי האור אכן הראו את דפוסי ההפרעה הללו. תמונה שלישית שתוכלו להציג היא גרף של העוצמה מבחינת המיקום, התואמת לתחזיות מהפרעות.
השפעת הניסוי של יאנג
באותה העת נראה היה כי הדבר הוכיח באופן חד משמעי שאור נסע בגלים, מה שגרם להחייאה בתיאוריית הגלים של יוגין על האור, שכלל מדיום בלתי נראה, אתר, דרכם התפשטו הגלים. מספר ניסויים לאורך שנות ה- 1800, והבולט בהם ניסוי של מייקלסון-מורלי, ניסה לאתר את האתר או את השפעותיו באופן ישיר.
כולם נכשלו וכעבור מאה שנה עבודתו של אינשטיין בספר אפקט פוטואלקטרי ויחסיות הביאה לכך שהאתר כבר לא היה נחוץ כדי להסביר את התנהגות האור. שוב תורת חלקיקים של אור קיבלה דומיננטיות.
הרחבת הניסוי הכפול
ובכל זאת, פעם אחת פוטון תיאוריה של אור התרחשה, ואמרה שהאור נע רק בקוונטה נפרדת, השאלה הפכה כיצד היו תוצאות אלה אפשריות. במהלך השנים פיזיקאים עשו ניסוי בסיסי זה ובחנו אותו במספר דרכים.
בתחילת המאה העשרים נותרה השאלה עד כמה קל - שכעת הוכר כנוסע ב"צרורות "דמויי חלקיקים של אנרגיה כמותית, המכונה פוטונים, בזכות ההסבר של איינשטיין על האפקט הפוטואלקטרי - יכולה גם להציג את ההתנהגות של גלים. בהחלט, חבורה של אטומי מים (חלקיקים) כאשר הם פועלים יחד יוצרים גלים. אולי זה היה משהו דומה.
פוטון אחד בכל פעם
אפשר היה לקבל מקור אור שהוקם כך שהוא פולט פוטון אחד בכל פעם. זה יהיה, פשוטו כמשמעו, כמו השלכת מיסבי כדור מיקרוסקופיים דרך החריצים. על ידי הגדרת מסך רגיש מספיק כדי לזהות פוטון בודד, תוכל לקבוע אם היו דפוסי הפרעה במקרה זה.
אחת הדרכים לעשות זאת היא להגדיר סרט רגיש ולהפעיל את הניסוי לאורך זמן, ואז להסתכל בסרט כדי לראות מה דפוס האור על המסך. בדיוק ניסוי כזה בוצע, ולמעשה, הוא תאם את גרסתו של יאנג זהה - להקות קלילות ואפלות לסירוגין, ככל הנראה כתוצאה מהפרעות גל.
תוצאה זו מאשרת ומביישת את תיאוריית הגלים. במקרה זה, פוטונים נפלטים באופן אינדיבידואלי. פשוטו כמשמעו אין דרך להתערב בהפרעות גלים מכיוון שכל פוטון יכול לעבור חריץ בודד בכל פעם. אבל הפרעות הגלים נצפות. איך זה אפשרי? ובכן, הניסיון לענות על שאלה זו הוליד פרשנויות מסקרנות רבות פיזיקה קוונטית, מהפרשנות של קופנהגן לפרשנות העולמות הרבים.
זה נהיה אפילו זר יותר
כעת נניח שאתה מבצע את אותו ניסוי, בשינוי אחד. אתה מציב גלאי שיכול לדעת אם הפוטון עובר דרך חריץ נתון או לא. אם אנו יודעים שהפוטון עובר דרך חריץ אחד, אז הוא לא יכול לעבור דרך החריץ האחר כדי להפריע לעצמו.
מסתבר שכשמוסיפים את הגלאי, הלהקות נעלמות. אתה מבצע את אותו הניסוי בדיוק, אך רק להוסיף מדידה פשוטה בשלב מוקדם יותר, ותוצאת הניסוי משתנה באופן דרסטי.
משהו במידת המדידה באיזה חריץ משמש הסיר את אלמנט הגל לחלוטין. בשלב זה הפוטונים פעלו בדיוק כפי שהיינו מצפים שחלקיק יתנהג. עצם אי הוודאות בעמדה קשורה, איכשהו, לביטוי השפעות הגל.
חלקיקים נוספים
במהלך השנים הניסוי נערך במספר דרכים שונות. בשנת 1961 ביצע קלאוס ג'ונסון את הניסוי באמצעות אלקטרונים, והוא התאים להתנהגותו של יאנג, ויצר דפוסי הפרעה במסך התצפית. גרסתו של ג'ונסון לניסוי נבחרה ל"ניסוי היפה ביותר "על ידי עולם הפיזיקה הקוראים בשנת 2002.
בשנת 1974 הטכנולוגיה הצליחה לבצע את הניסוי על ידי שחרורו של אלקטרון בודד בכל פעם. שוב, דפוסי ההפרעה הופיעו. אך כאשר מונחים גלאי בחריץ, ההפרעה שוב נעלמת. הניסוי בוצע שוב בשנת 1989 על ידי צוות יפני שהצליח להשתמש בציוד מעודן בהרבה.
הניסוי בוצע באמצעות פוטונים, אלקטרונים ואטומים, ובכל פעם אותה תוצאה הופך להיות ברור מאליו - משהו במדידת מיקום החלקיק בחריץ מסלק את הגל התנהגות. קיימות תיאוריות רבות כדי להסביר מדוע, אך עד כה חלק ניכר ממנה הוא השערה.