Тайна двухщелевой дифракции электронов

Вот простой способ увидеть, что ваша идея — которая, я думаю, не глупа — не работает.

Прежде всего проведите эксперимент, как обычно, и измерьте полученную модель.

Теперь проделайте обычный трюк: уменьшите светимость источника настолько, чтобы можно было быть уверенным, что в эксперименте одновременно присутствует только одна частица. Убедитесь, что строится один и тот же образец (сейчас очень медленно: возможно, есть только один электрон в день или что-то в этом роде, поэтому этот эксперимент может занять много времени).

Что делает этот второй шаг, так это исключает любую возможность того, что эффект каким-то образом возникает из-за того, что несколько электронов сталкиваются друг с другом или что-то в этом роде. Все еще возможно, что это эффект, как вы говорите, некий артефакт электронов, отскакивающих от краев щели.

Итак, следующий шаг — закрыть одну из щелей и снова запустить эксперимент, все еще с очень низкой светимостью.

И теперь вы обнаружите, что шаблон исчезает. в частности, некоторые области в узоре, построенном с одной открытой щелью, ярче , чем в узоре, построенном с обеими открытыми щелями: узор с двумя щелями — это не просто сумма узоров двух экспериментов с одной щелью. И это исключает объяснение «отскока от края щели»: в эксперименте одновременно присутствует только один электрон, но каким-то образом этот электрон знает, открыты ли одна или обе щели: что угодно. создает узор не электрон, отскакивающий от края щели, потому что в этом случае узор все равно возник бы.

Стоит отметить, как указано в комментариях, что это не просто мысленный эксперимент: это действительно было сделано, вот ссылка на статью, описывающую именно этот эксперимент, и цитата из статьи:

Картины накопления электронов были записаны с маской, центрированной на двойной щели. Интенсивность источника электронов была уменьшена так, чтобы частота обнаружения электронов в картине составляла около 1 Гц. При такой скорости и кинетической энергии среднее расстояние между последовательными электронами было$2.3\times 10^6\,\mathrm{m}$.

В вашей идее есть как минимум две проблемы. Во-первых, отскакивающие электроны не обязательно будут отклоняться к центру. Направление будет зависеть от расстояния от источника электронов до щелей, расстояния между щелями и вида столкновения (упругое или неупругое). Во-вторых, эффект должен быть очень маленьким. Только небольшая часть электронов будет отскакивать таким образом. И в-третьих, это не может объяснить дополнительные пики, которые вы видите на экране.

Я считаю, что основная концептуальная проблема с вашим предложением заключается в том, что вы используете классические картины рассеяния для чего-то квантово-механического.

Чтобы получить амплитуду вероятности для эксперимента «рассеяние электрона двойной щелью» и иметь возможность увидеть интерференционные картины, нужно перейти к длине волны де Бройля электрона, необходимой для щелей, и расстоянию до экрана эксперимента.

Посмотрите здесь , как должен быть спланирован настоящий эксперимент:

Предположим, мы хотим использовать электроны для нашего эксперимента. Мы строим установку с экраном, расположенным на расстоянии 1 метр от щелей, и двумя щелями на расстоянии 1 миллиметра друг от друга (может быть, мы нашли это оборудование в чулане на физическом факультете...). Эта установка сделает расстояние между яркими точками на нашем экране в 1000 раз больше, чем длина волны де Бройля нашего входящего электрона. Мы хотим иметь возможность видеть интерференционную картину в наших детекторах, поэтому, возможно, нам следует потребовать, чтобы расстояние между яркими пятнами составляло около 1 миллиметра (конечно, это будет зависеть от детекторов). Это означает, что длина волны де Бройля нашего электрона должна быть около одного метра. Теперь вернемся к уравнению для длины волны де Бройля и увидим, что мы знаем h и теперь знаем λ, так что мы можем вычислить, каким должно быть p. Поскольку мы знаем массу электрона, вычисление импульса, по сути, то же самое, что вычисление скорости; для нашего эксперимента мы обнаружили, что электрон должен двигаться со скоростью около 0,0007 м/с! Это крошечная скорость... около 2 дюймов в минуту (вроде наливания кетчупа)!

Электрон классического бильярдного шара при такой малой скорости должен будет весьма своеобразным образом разлететься по сторонам щелей (это классическая физика), чтобы можно было смоделировать интерференционную картину. Кроме того, для рассеяния классического электрона в стороны следует предполагать большой разброс в направлении луча, иначе он должен пройти, ничего не задев. В этом эксперименте длина стенок щелей составляет 100 нм (окна из мембраны из нитрида кремния) , поэтому классически рассеиваться не так уж и много.

Напротив, с точки зрения квантовой механики это проблема с одним граничным условием: электрон с плоской волной сталкивается с двумя щелями шириной 62 нм с расстоянием между центрами 272 нм (см. вставку 1 на рисунке 1). Каждая щель имеет высоту 4 мкм и посередине высоты имеет опору толщиной 150 нм.

Длина волны де Бройля, использованная в эксперименте , и тот факт, что интерференционная картина соответствует предсказаниям квантово-механической модели, достаточны для фальсификации вашей гипотетической установки .

Электроны (и фотоны, если уж на то пошло) создают интерференционные картины, даже если существует незначительная вероятность того, что в аппарате одновременно присутствует более одного из них.

Это довольно простой эксперимент, и он проделывался много раз. Просто уменьшите интенсивность излучателя электронов и запишите положение вспышек на экране сзади, когда на него ударяют отдельные электроны. Отметьте эти местоположения одно за другим в течение минут, часов или дней на диаграмме рассеяния, и постепенно выстроится знакомая интерференционная картина с двумя щелями.

Кроме того, можно подумать: «Давайте попробуем определить, через какую щель проходит электрон». Можно добавить катушку, которая регистрирует прохождение электрона через одну из двух щелей. В таком случае происходит то, что сама возможность наблюдения электрона у щели (для электронов, прошедших через другую щель) вызывает изменение распределения электронов, попадающих на экран. Двухщелевой интерференционной картины теперь нет!

Есть и третий вариант, когда между прорезями помещают длинную тонкую намагниченную иглу. Магнитное поле вне иглы незначительно, а интерференционная картина заметно смещена в сторону. Электрон «видит» внутренность иглы, хотя электрон не обладает достаточной энергией, чтобы проникнуть сквозь толщу иглы более бесконечно малой доли времени.

Квантовая механика поддающаяся проверке странность (например, очень маленькие вещи смешивают все наши предубеждения, созданные в течение всей жизни наблюдения за макроскопическими объектами). Этот эксперимент показывает, если вы настаиваете на словесной интерпретации, а не на математике, что одиночный ненаблюдаемый электрон (или плотность вероятности одиночного ненаблюдаемого электрона) проходит через обе щели и в некотором смысле интерферирует сам с собой. Начните следить за тем, через какую щель проходит электрон, и тогда вы установите, какова картина дифракции электрона, проходящего через одну щель, потому что добавленное вами наблюдение означает, что вы знаете, что электрон прошел только через одну из щелей.

Вопрос о том , как это может быть, является разумным вопросом, на который у нас в настоящее время практически нет ответов. Это просто так . Отрицание наблюдения в пользу глубокого личного или богословского убеждения — упражнение в научной бесполезности. Моя личная формулировка этого такова: «Не спорь со вселенной. Она намного больше тебя и всегда побеждает». Когда-нибудь, может быть, мы начнем выяснять, как и почему Вселенная устроена такой, какая она есть.

Для еще большей странности, охватывающей световые годы, посмотрите эксперимент по интерферометрии интенсивности Хэнбери Брауна и Твисса!

tfb написал в своем ответе

Итак, следующий шаг — закрыть одну из щелей и снова запустить эксперимент, все еще с очень низкой светимостью. И теперь вы обнаружите, что шаблон исчезает.

Он имеет в виду, согласно комментарию ниже, что рисунок полос меняется. Чтобы проиллюстрировать это, можно обратить внимание на аналогию с однощелевым экспериментом с электронами. Феномен диска Эйри показывает полосы от одного отверстия :

Изображение из Википедии

Вместо щели первые эксперименты с электронами проводились с одинарными краями (H. Boersch FRESNELSCHE Elektronenbeugung 1940).

Так что даже за одиночными краями и чем дальше за одиночными щелями электроны дифрагируют к полосам.

Следующие эксперименты были проведены с призмой с двойными полосами :

.

В 1956 г. Г. Мелленштедт и Х. Дюкер опубликовали «Beobachtungen und Messungen an Biprisma-lnterferenzen mit Elektronenwellen» («Наблюдения и измерения интерференции бипризмы с электронными волнами»). Двое ученых проводят электронный луч от точечного источника через электростатическую бипризму. Согласно статье ускоряющее напряжение составляло 50 кВ, входная щель имела ширину около 500 Å (50 нм) и длину несколько миллиметров. Бипризма состояла из покрытой золотом кварцевой проволоки толщиной два микрометра (F), которая была натянута между двумя заземленными пластинами пластинчатого конденсатора.

Теперь самый интересный момент. Прикладывая положительное напряжение всего в несколько вольт к нитевидной центральной пластине, электроны двух частичных лучей отклоняются к центру. Для - противоположного свету в 105 раз меньшего сечения электрона - потенциала +7 вольт было достаточно для успешной дифракции электронов:

Это множество намеков, которые

электроны отскакивают от края щели

не является хорошим объяснением или моделью для объяснения распределения интенсивности за краями, одинарными или двойными щелями. Так что вы ошибаетесь.

Как отметил ACuriousMind, пояснения к изображениям могли бы быть более подробными. Для этого см. мой отрывок Отклонение электронных лучей на краях .