تجربة الشق المزدوج، واحدة من أكثر التجارب غرابة في الفيزياء الحديثة، وتختزل في قلب غرابة ميكانيكا الكم، وقد أسهمت في البحث في طبيعة الضوء و إثبات طبيعته الموجية، وقد استخدمت في عملية اثبات وجود خاصية موجية لجميع الجسيمات مثل الإلكترونات، وفي هذا المقال سنوضح ما هي تجربة الشق المزدوج
ما هي تجربة الشق المزدوج
- في الفيزياء الحديثة، تعتبر تجربة الشق المزدوج دليلاً على أن الضوء والمادة يمكنهما إظهار خصائص كل من الموجات والجسيمات المحددة تقليديًا، علاوة على ذلك، فإنها تعرض الطبيعة الاحتمالية الأساسية لظواهر ميكانيكا الكم.
- تعد التجربة من أشهر التجارب الفيزيائية، إنها توضح، بغرابة لا مثيل لها، أن جزيئات المادة الصغيرة لديها نوع من الموجة حولها، وتشير إلى أن فعل مراقبة الجسيم له تأثير كبير على سلوكه.
- الفكرة وراء تجربة الشق المزدوج هي أنه حتى لو تم إرسال الفوتونات عبر الشقوق واحدًا تلو الآخر، فلا تزال هناك موجة لإنتاج نمط التداخل، الموجة هي موجة احتمالية، لأن التجربة تم إعدادها بحيث لا يعرف العلماء أي من الشقين سيمر أي فوتون فردي من خلاله.
- ولكن إذا حاولوا اكتشاف ذلك من خلال إنشاء أجهزة كشف أمام كل شق لتحديد الشق الذي يمر به الفوتون حقًا، فلن يظهر نمط التداخل على الإطلاق، هذا صحيح حتى لو حاولوا إعداد أجهزة الكشف خلف الشقوق، بغض النظر عما يفعله العلماء، إذا حاولوا أي شيء لمراقبة الفوتونات، فإن نمط التداخل يفشل في الظهور.
اقرأ أيضا: ما هو تكاثف بوز-أينشتاين
تاريخ تجربة الشق المزدوج وتطورها
- كانت تجربة توماس يونغ مع الضوء، جزءًا من الفيزياء الكلاسيكية قبل فترة طويلة من تطور ميكانيكا الكم ومفهوم ازدواجية الموجة والجسيم، كان يعتقد أنها أثبتت أن نظرية الموجة للضوء كانت صحيحة، ويشار أحيانًا إلى تجربته باسم تجربة يونغ، أو شقوق يونغ.
- تم إجراء هذا النوع من التجارب لأول مرة، باستخدام الضوء، بواسطة توماس يونع في عام 1801، كدليل على السلوك الموجي للضوء.
- في ذلك الوقت كان يعتقد أن الضوء يتكون إما من موجات أو جسيمات، مع بداية الفيزياء الحديثة، بعد حوالي مائة عام، تم إدراك أن الضوء يمكن أن يُظهر في الواقع سلوكًا مميزًا لكلا الموجتين و الجسيمات.
- في عام 1927، أظهر دافيسون وجيرمر أن الإلكترونات تظهر السلوك نفسه، والذي امتد لاحقًا إلى الذرات والجزيئات.
تنتمي التجربة إلى فئة عامة من تجارب “المسار المزدوج”، حيث يتم تقسيم الموجة إلى موجتين منفصلتين تتحدان لاحقًا في موجة واحدة. - تؤدي التغييرات في أطوال المسار لكلتا الموجتين إلى تحول في الطور، مما يؤدي إلى إنشاء نمط تداخل.
- في النسخة الأساسية من هذه التجربة، يضيء مصدر ضوء متماسك، مثل شعاع الليزر، صفيحة مثقوبة بشقين متوازيين، ويُلاحظ الضوء الذي يمر عبر الشقوق على شاشة خلف اللوحة، والطبيعة الموجية للضوء هي سبب موجات الضوء التي تمر عبر شقين إلى التدخل، وتنتج مشرق وعصابات الظلام على الشاشة – نتيجة لذلك لن يكون من المتوقع إذا تألف ضوء جزيئات الكلاسيكية.
- ومع ذلك، وُجد دائمًا أن الضوء يُمتص عند الشاشة عند نقاط منفصلة، كجسيمات فردية (وليس موجات)، يظهر نمط التداخل من خلال الكثافة المتغيرة لضربات هذه الجسيمات على الشاشة.
- علاوة على ذلك، وجدت إصدارات التجربة التي تتضمن كاشفات في الشقوق أن كل فوتون تم اكتشافه يمر عبر شق واحد (كما هو الحال مع الجسيم الكلاسيكي)، وليس من خلال كلا الشقين (كما هو الحال بالنسبة للموجة).
- ومع ذلك، فإن مثل هذه التجارب توضح أن الجسيمات لا تشكل نمط التداخل إذا اكتشف المرء الشق الذي يمر من خلاله، حيث توضح هذه النتائج مبدأ ازدواجية الموجة والجسيم.
- أصبحت تجربة الشق المزدوج تجربة كلاسيكية، لوضوحها في التعبير عن الألغاز المركزية لميكانيكا الكم، لأنها توضح القيد الأساسي لقدرة المراقب على التنبؤ بالنتائج التجريبية، وقد أطلق عليها ريتشارد فاينمان اسم “ظاهرة يستحيل شرحها بأي طريقة كلاسيكية، والتي تضم قلب ميكانيكا الكم.
- في عام 2012، أجرى ستيفانو فرابوني وزملاؤه في النهاية تجربة الشق المزدوج مع الإلكترونات والشقوق الحقيقية، باتباع المخطط الأصلي الذي اقترحه فاينمان.
- في عام 2019، أظهر ماركو جيامارتشي وزملاؤه تداخل الجسيم الفردي مع المادة المضادة.
اقرأ أيضا: ما هو التشابك الكمومي
كيف تفسر نظرية الأوتار تجربة شقي يونع
- بدون فيزياء الكم، لا يمكن أن توجد نظرية الأوتار، وقد أثبتت تجربة الشق المزدوج أن الضوء يعمل كموجة.
- أظهر شعاعًا من الضوء يمر عبر شقين في حاجز، مما ينتج عنه نطاقات تداخل ضوئية ومظلمة على الشاشة، هذا النوع من التداخل هو سمة مميزة لسلوك الموجة، مما يعني أن الضوء يجب أن يكون على شكل موجات.
- وقد لوحظت أنماط التداخل في الضوء في زمن إسحاق نيوتن، في أعمال فرانشيسكو ماريا جريمالدي، تم تحسين هذه التجارب بشكل كبير من قبل المجرب الشاب توماس يونغ في عام 1802.
- لكي تنجح التجربة، يجب أن يكون للضوء المار عبر الشقين نفس الطول الموجي، اليوم، يمكنك تحقيق ذلك باستخدام الليزر، لكنها لم تكن متوفرة في أيام يونغ، لذلك توصل إلى طريقة بارعة للحصول على طول موجي واحد، لقد أنشأ شقًا واحدًا وسمح للضوء بالمرور من خلاله، ثم مر هذا الضوء من خلال شقين.
- نظرًا لأن الضوء المار عبر الشقين جاء من نفس المصدر، فقد كانا في طور مع بعضهما البعض، ونجحت التجربة.
- كان هذا السلوك المزدوج هو المشكلة التي واجهت نظرية أينشتاين للفوتون عن الضوء، لأنه على الرغم من أن الفوتون له طول موجي، وفقًا لأينشتاين، إلا أنه لا يزال جسيمًا.
- في عام 1923، اقترح الفرنسي لويس دي برولي نظرية جديدة جريئة، جزيئات المادة لها أطوال موجية ويمكن أن تتصرف كموجات، تمامًا كما فعلت الفوتونات.
