Интерференция одиночных фотонов [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
[Музыка]
Мы уже видели, как менялась наше представление о природе света с течением времени. В конце 17 века Гюйгенс предположил, что свет — это волна. Он, Ньютон же, считал, что это поток частиц. Опыт Юнга казался разрешил этот спор, установив: проходя через два отверстия, свет ведёт себя как волна на воде.
Но к началу 20 века стало ясно, что энергия света распределяется несвойственным для волны образом. Она излучается маленькими порциями, так называемыми квантами или фотонами. Что же это означало для результатов эксперимента Юнга?
Это полноценная экспериментальная установка. Лазерный луч проходит здесь сначала через одиночную щель, а затем через двойную и выпадает на экран.
Типа, видите, четкую интерференционную картину: здесь темные и светлые полосы легко различимы благодаря тому, что в ладдере, в отличие от солнечных лучей, всего одна длина волны, а значит — один цвет. Это график интенсивности интерференционной картины.
Но как оно возникает? Рассмотрим полосу посередине. То свет из обеих щелей проходит до неё одинаковое расстояние, а следовательно, волны будут находиться в фазе: вершина с вершиной и впадина с впадиной. Они накладываются и создают максимум интенсивности — яркую полосу.
При чуть левее мы видим тёмную полоску: от одной щели и свет приходит под углом. И таким образом, проходит на полдлины волны больше, чем свет из второй щели. Будь одна волна, попадает на экран своей вершиной, вторая впадиной, полностью отменяем друг друга.
Ещё левее мы снова видим яркую полосу пика, поскольку теперь первому лучу нужно пройти уже на целую длину волны больше, чем второму, так что они оказываются в фазе: вершина с вершиной, а впадина с впадиной. Мы получаем конструктивную интерференцию и видим полосу света.
Ок, образуются эта картина. Но что будет, если снизить интенсивность излучения настолько, что вместо волны света сквозь отверстие будут лететь отдельные фотоны?
Они не смогут интерферировать, если каждый раз через щель будет проходить только одна частица. Какую картину мы тогда увидим? Сейчас мы это выясним.
Чтобы провести эксперимент, мне пришлось настроить слабый источник излучения и накрыть голову тёмной тканью, чтобы хоть что-то разглядеть. И вот, после долгих приготовлений, играх, видите, здесь установлен частотомер, который регистрирует, сколько фотонов в секунду попадает в детектор.
В качестве последнего выступает колба фотоумножителя, регистрирующая отдельные фотоны. Это такой суперчувствительный глаз, как у лягушки. Сейчас надо, доктор, не направлен свет, однако он все же улавливает фотоны, поскольку я не могу полностью изолировать его от света. Глаз космического излучения тоже заставляет его реагировать.
Для наглядности построим график функции, который отражает распределение фотонов в детекторе спустя секунду. Распределение выглядит как случайное, в том, куда попадают частицы, и ныне видно никакой закономерности. Возможно, и правда, фотон не может интерферировать сам собой, он попадает только в одну точку, проходя через одну щель.
Но на всякий случай, давайте подождем и посмотрим, не появится ли со временем что-нибудь интересное.
[Музыка]
Вот это да! Отчетливо видна картина, такая же, как и в случае с потоком фотонов, хотя мы наблюдаем отдельно взятую частицу. А мы считаем одиночные фотоны. Эта кривая проявляется спустя какое-то время.
Но как один фотон может пройти сразу через оба отверстия? Если смотреть на эти результаты с точки зрения чего-то повседневного, они покажутся бессмысленными. Но фотон отличается от привычных нам предметов: он — одновременно волна и не частица.
Объект квантовой механики: иногда он проявляет свойства волны, иногда свойства частиц. И в конечном итоге он не похож ни на одно из известных нам явлений, и это полностью сбивает с толку.
Что такое свет: волна или частица? На мой взгляд, ни то, ни другое. Если хотите, называйте его волной.
[Музыка]
Он возникает из-за взаимодействия волн от двух источников: когда вершина встречается с вершиной, а впадина с впадиной, амплитуда волны увеличивается, и получается то, что мы называем конструктивной интерференцией.
Но если... В прошлом видео я спросил вас, почему интерференционная картина состоит из кружков, а не из узких полос, как в этом опыте. В комментариях чаще всего встречались два ответа: одни говорили, что это изображение солнца, а другие — что всё дело в принципе неопределенности.
Отверстие действительно очень тонкие, поэтому принцип Гейзенберга тоже играет свою роль. Свет, проходя через щель, будет рассеиваться. Но форму кругов он принимает как раз из-за формы солнечного света: луч света, проходя через одну щель, становится шире из-за дифракции и попадает на дно коробки.
След из соседней щели ведет себя точно так же. В результате, в местах пересечения с вами мы видим три больших кружка: сам первого отверстия есть дифракционный максимум, и у второго отверстия есть дифракционный максимум, и они пересекаются.
Но в определенных точках лучи не попадают в фазу и гасят друг друга, создавая разрывы между кружками.
Переведено и озвучено студией "Вверх" Дайвер.