Jak przeprowadzić doświadczenie Younga z dwoma szczelinami?

Pytanie

Pyta Maciej

Czy w realnie przeprowadzanym doświadczeniu Younga z dwoma szczelinami kierunek źródła światła można tak kontrolować, aby fotony (traktowane jako cząstki) padały pomiędzy szczelinami? Jaki jest realny rozrzut (średnica plamki) na przeszkodzie ze szczelinami? Czy jeśli źródło emituje np. jeden foton w ciągu sekundy, to czy każdy taki foton dociera do ekranu, czy też większość zatrzymuje się na przeszkodzie ze szczelinami? Czy jeśli przeszkoda ze szczelinami wykonana byłaby z takiego samego materiału jak ekran, tzn. byłaby detektorem fotonów, to czy na ekranie za szczelinami powstałby obraz interferencyjny? Jeśli w takim układzie źródło emitowałoby pojedyncze fotony, to czy foton interferowałby sam ze sobą za szczelinami, czy tworzyłby plamkę na przeszkodzie będącej jednocześnie detektorem?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

ad 1. (Czy w realnie przeprowadzanym doświadczeniu Younga z dwoma szczelinami kierunek źródła światła można tak kontrolować aby fotony (traktowane jako cząstki) padały pomiędzy szczelinami?)

Nie jestem eksperymentatorem, więc zawsze wyobrażam sobie, że ekran za szczelinami można ustawić dowolnie daleko. Wtedy obraz interferencyjny da sie zaobserwowac nawet wtedy, gdy odległość między szczelinami będzie znacznie większa od długości fali. Przy dużej odległości między nimi, możemy zaświecić laserem w odstęp między szczelinami. Wtedy żaden foton nie przejdzie i nie będzie żadnego obrazu na ekranie za szczelinami.

ad 2. (Jaki jest realny rozrzut (średnica plamki) na przeszkodzie ze szczelinami?)

Kontynuując odpowiedź z poprzedniego punktu załóżmy, że ekran znajduje się $L=100m$ za szczelinami, odstęp między szczelinami wynosi $a=7mm$, a długość fali wynosi $\lambda=0.7\mu m$ (światło czerwone). Pierwsze dwa prążki interferencyjne na ekranie byłyby wtedy w odległości $x \simeq \lambda/(2a) \times L = 5mm$ od siebie, co na pewno dałoby się zmierzyć. Przy tak dużym odstępie między szczelinami, na pewno damy radę trafić wiązką lasera prosto w ten odstęp, czyli praktycznie żaden foton nie przejdzie.

W następnych punktach zakładam, że świecimy tak, aby niektóre fotony miały szansę przejść przez szczeliny, tj. nie mierzymy prosto w przeszkodę między szczelinami, ale w taki sposób, aby źródło światła oświecało obie szczeliny.

ad 3. (Czy jeśli źródło emituje np. jeden foton w ciągu sekundy to czy każdy taki foton dociera do ekranu, czy też większość zatrzymuje się na przeszkodzie ze szczelinami?)

Część fotonów przechodzi, a część zatrzymuje się na przeszkodzie. Stosunek ilości jednych do drugich zależy od geometrii układu, ale nie zależy od tego, ile fotonów na sekundę emituje źródło.

ad 4. (Czy jeśli przeszkoda ze szczelinami wykonana byłaby z takiego samego materiału jak ekran tzn. byłaby detektorem fotonów to czy na ekranie za szczelinami powstałby obraz interferencyjny?)

Obraz interferencyjny tworzą fotony, które nie zatrzymają się na przeszkodzie między szczelinami. Każdy z tych fotonów interferuje sam ze sobą. Obraz interferencyjny na ekranie za szczelinami nie zależy od tego, czy przeszkoda między szczelinami wykonana jest z materiału światłoczułego czy też nie.

ad 5. (Jeśli w takim układzie źródło emitowałoby pojedyncze fotony to czy foton interferowałby sam ze sobą za szczelinami czy tworzyłby plamkę na przeszkodzie będącej jednocześnie detektorem?)

Albo tworzyłby plamkę na przeszkodzie, albo tworzyłby plamkę na ekranie za szczelinami. Nigdy nie utworzyłby dwóch plamek równocześnie. Plamki na ekranie za szczelinami ułożyłyby się w obraz interferencyjny, a plamki na przeszkodzie – nie.