Det berømte dobbeltspalte-eksperimentet – et nå klassisk utstillingsvindu for hvordan både lys og materie er i stand til å oppføre seg som både bølger og partikler i deres “klassiske” fysiske definisjon –virker nesten som magi for mange av oss.
På grunn av denne uvanlige funksjonen til vårt fysiske univers, har dobbeltspalte-eksperimentet fascinert fysikere i flere tiår, da det antyder muligheten for flere universer eller rare kvantehendelser. Men først nylig har forskere ved Vienna University of Technology (Tekniske universitet i Wien) fant en måte å fullt ut validere dette eksperimentet ved å bruke en bestemt målemetode på partikkelen.
Bakgrunn: Hva er dobbeltspalteeksperimentet?
Dette eksperimentet ble først utført av en britisk matematiker Thomas Young i 1802. Forsøket virker ved å la en valgstråle skyte mot en skjerm med to vertikale spalter i. Strålen skal gå gjennom enten den ene spalten eller den andre, og skape en spesifikt mønster på veggen bak dem. Imidlertid, i alle tilfeller av eksperimentet som kjøres, går elektronene gjennom begge spaltene samtidig, ved å bruke en egenskap som kalles kvantesuperposisjon. Superposisjon gjør at et elektrons kvantetilstand kan være på to steder samtidig, og legge opp til en sammenhengende tilstand. Som forsker fra Tu Wien, Stephan Sponar forklart: «I det klassiske dobbeltspalte-eksperimentet skapes et interferensmønster bak den doble spalten. Partiklene beveger seg som en bølge gjennom begge åpningene samtidig, og de to delbølgene forstyrrer hverandre. Noen steder forsterker de hverandre, andre steder opphever de hverandre.»
Når du prøver å måle hvor en partikkel kan være etter å ha gått gjennom dobbelspalten, blir det et statistikkspill. Denne statistikken avhenger av interferensmønsteret til partikkelen, der steder forsterkes eller kanselleres av hverandre. Dette gjør valideringen av eksperimentet svært begrenset. “Selvfølgelig er dette ikke helt tilfredsstillende,” sa forsker Holger Hofmann fra Hiroshima University, som var med på å utvikle teorien bak eksperimentet. “Vi har derfor vurdert hvordan fenomenet toveis inferens kan bevises basert på deteksjon av en enkelt partikkel.” Toveis interferens er interferensen som skjer mellom to separate partikkelbølger.
Analyse: Separerende bølger
For å se på toveis interferenser har forskerne satt opp en ny målemetode. I denne metoden ble et nøytrons kvantebølge delt i to bølger ved å bruke en krystall. De to bølgene beveget seg langs individuelle stier hvor de deretter rekombinerte og forstyrret hverandre. Forskerne målte denne forstyrrelsen. De “merket” også en spesifikk bølge ved å manipulere vinkelen på partikkelen, slik at de kunne spore hvilken bølge som gikk i hvilken retning. Fra prøving og feiling fant forskerne hvilke vinkler var nødvendig for å gjenskape resultatene av dobbeltspalteeksperimentet.
Outlook: Ett skritt nærmere å løse dobbeltspalteeksperimentet
“Våre måleresultater støtter den klassiske kvanteteorien,” forklarte Sponar. «Nyheten er at man ikke trenger å ty til utilfredsstillende statistiske argumenter. Når vi måler en enkelt partikkel, viser vårt eksperiment at den må ha tatt to veier samtidig, og kvantifiserer de respektive proporsjonene entydig.” Denne studien gir mer informasjon om prosessen bak det berømte eksperimentet og gir mulighet for videre forskning for å bidra til å fremme feltet kvantefysikk.
Kenna Castleberry er stabsskribent ved Debrief and the Science Communicator ved JILA (et partnerskap mellom University of Colorado Boulder og NIST). Hun fokuserer på dypteknologi, metaverset og kvanteteknologi. Du kan finne mer av arbeidet hennes på nettsiden hennes: https://kennacastleberry.com/