Двохщоловий досвід Юнга

Двохщоловий досвід Юнга

Фактичний початок принципам сучасної науки поклав Ісаак Ньютон, сформулювавши фундаментальні закони класичної механіки ще наприкінці XVII століття. Виведені ним закономірності настільки гладко пояснювали існуючі навколо людини явища природи: силу тяжіння, обертання небесних тіл і так далі, - що фактично дали старт теоретичному науковому пізнанню у фізиці. Протягом наступних двохсот років класична ньютонівська механіка розвивалася, підкорюючи все більш складні явища нашого світу. Наприкінці XIX століття в середовищі вчених була думка, що завдання фізики як науки практично вичерпані. Передбачалося, що вона змогла непротиворечиво пояснити буквально все, і в її полі залишилося лише кілька незначних завдань.

Принцип детермінізму Лапласа

Як бачимо, успіхи ньютонівської механіки внесли істотну лепту в оптимістичний погляд на людські можливості в пізнанні і впливі на природу. Квінтесенцією такого оптимізму щодо пізнання навколишнього світу стала концепція детермінізму вченого П 'єра Сімона Лапласа. Він висловив думку,


що дуже скоро вчені навчаться не просто з 'ясовувати конкретний стан фізичних явищ, але на підставі цього і передбачати майбутні явища. Так, наприклад, запустивши камінь, ми не завжди можемо вгадати, де саме він приземлиться. Але вирахувавши його масу, імпульс, який йому надали, і напрямок руху, ми зможемо чітко вирахувати, де він впаде на землю. Приблизно такою ж у уявленні Лапласа і безлічі інших вчених малювалася принципова (нехай і не завжди реальна через безліч факторів) можливість обчислення поточного стану будь-якої речовини і явища, а значить, і передбачення його долі надалі.

Народження теорії відносності Ейнштейна і квантової механіки

Болючим руйнуванням цих ідей стало виявлення на початку XX століття дивовижних властивостей світу субатомних частинок, у тому числі їх продемонстрував і досвід Юнга. Першим ударом по, здавалося б, непорушній правді ньютонівських законів стало обчислення швидкості світла, яка ніяк не вписувалася в класичну механіку, внаслідок чого закони останньої довелося коригувати. Це вдалося зробити Альберту Ейнштейну в 1905 р. Паралельно народженню ейнштейновської теорії відносності, яка розкрила зв 'язок між простором і часом і знову змогла непротиворечиво пояснити природу на величезних вселенських масштабах, народжувалася й інша наука - квантова механіка. І тут дуже скоро виявилося, що субатомні частинки живуть за абсолютно унікальними законами, які не змогли б пояснити ні Ньютон, ні Ейнштейн. У двадцяті роки вона віщувала ще більші складнощі, ніж ті, з якими стикалися фізики раніше.

Вернер Гейзенберг і його принцип невизначеності

Німецький вчений Вернер Гейзенберг першим зметикував, що детермінізм Лапласа непримінний до цього мікроскопічного світу. Справа в тому, що, проводячи дослідження в нашому макромірі, ми так чи інакше впливаємо на вивчені елементи. Але будь-яке спостереження за квантовим світом вносить обурення в його поведінку. Щоб заглянути туди, ми повинні "кинути" фотони, які можна порівняти за розмірами з протонами, нейтронами, електронами, а значить, відчутно впливають на них, ставлячи хрест на будь-якому експерименті. Згідно з теоретичними розрахунками Гейзенберга, ми могли б вирахувати точно або положення частинки в просторі, або її швидкість, але ніколи - одне й інше відразу.

Двохщоловий досвід Юнга

Англійський вчений Томас Юнг ще на стику XVIII і XIX століть поставив експеримент, який відкрив фізикам явище інтерференції світла. У той момент серед вчених йшли суперечки про те, що являє собою світло: корпусні частинки або хвилю. Досвід Юнга полягав у наступному. Він пускав світло на ширму через платівку, в якій були прорізані дві щілини. Якби світло складалося з найдрібніших частинок, то на ширмі б відбилися лише дві світлові смужки, частинки б чітко проходили через дві прорізи. Але досвід Юнга продемонстрував, що світло залишає на ширмі інтерференційний візерунок. Відбувається це внаслідок його хвильової природи. Хвиля, стикаючись із загороджувальною платівкою, розбивається надвоє, вже пройшовши її. Але далі дорогою до ширми амплітуда хвилі однієї стикається з іншою, вони взаємно гасять один одного, створюючи в різних місцях меншу і більшу концентрацію світла. Тоді експеримент став прямим доказом хвильової природи світла. Але з подальшими відкриттями виникли і нові питання. Макс Планк зумів довести, що світлова хвиля все ж складається з дискретних частин - фотонів. Так чому ж вони не поводяться як частинки? Вже у XX столітті фізики неодноразово повторювали досвід Юнга, переконуючись, що світло поводиться як хвиля. Було припущено, що одночасно випущені пучками фотони ніби відбиваються один від одного, створюючи таку картину з численних смуг. Так само поводилися й очевидні частинки - електрони, які за всіма поняттями фізиків вже точно повинні були мати корпускулярні властивості. Щоб прояснити питання, був поставлений експеримент, в якому електрони випускалися лише по одному. Здавалося б, один

електрон повинен чітко пролітати через один з отворів і залишати слід на ширмі в одному з двох місць Парадоксально, але інтерференція повторилася. Але по-справжньому дивним фактом стало те, що всі спроби встановити надчутливі прилади і засікти траєкторію руху кожного електрону приводили до того, що він починав вести себе як частинка. Інтерференція зникла. І це відбувається не через слабкі технічні можливості, а буквально через невизначеність самої природи. Частинка просто не знаходиться в одному конкретному місці. Траєкторію її руху можна визначити лише як імовірність. Тобто вона буквально може знаходиться в декількох місцях одночасно і проходити по всіх можливих траєкторіях (одна частинка буквально проходить і через одну, і через іншу щілину). Ця дивовижна властивість була названа нелокальністю субатомних елементів і продемонструвала їх подвійну корпускулярно-хвильову природу.