A kétréses-kísérletről szóló cikksorozat harmadik része
A kétrés-kísérletet rendszerint néhány mondattal szokás elintézni: egy fényforrás két keskeny nyílásra világít, a mögöttük elhelyezett ernyőn pedig világos és sötét sávok jelennek meg, ami azt bizonyítja, hogy a fény hullámként viselkedik. Ez a leírás alapvetően helyes, mégis túl sok mindent rejt el abból, ami a kísérletet a fizika egyik legfontosabb vizsgálatává tette. A két rés ugyanis nem egyszerűen érdekes mintázatot rajzol az ernyőre, hanem lehetőséget teremt arra, hogy a fény két különböző útja egymással kölcsönhatásba kerüljön, és a végső eredményből következtetni lehessen arra, miként jutott el a fény a detektorig.
A kísérlet klasszikus változatának megértéséhez még nincs szükség kvantummechanikára. Ha erős, folyamatos fénynyalábbal végezzük el, az eredmény a hullámoptika segítségével pontosan leírható. Éppen ezért fontos innen kezdeni, mert amíg nem értjük, hogyan keletkezik a hagyományos interferenciakép, addig azt sem lehet igazán felfogni, miért olyan zavarba ejtő, amikor ugyanaz a mintázat egyesével érkező fotonokból épül fel.
A kísérlet Thomas Young angol fizikus nevéhez kapcsolódik, aki a tizenkilencedik század elején a fény hullámtermészetének vizsgálatára dolgozott ki interferenciakísérleteket. Young elrendezése nem minden részletében egyezett a mai tankönyvekben látható, lézerrel megvilágított két keskeny rés képével, hiszen az ő korában még nem létezett a lézer. Ez komoly nehézséget jelentett, mert a Napból vagy egy lámpából érkező hétköznapi fény számtalan, egymástól független atomi folyamat eredménye. Ezek a fényhullámok különböző időpontokban, eltérő fázissal és sokféle hullámhosszal indulnak el, ezért a belőlük létrejövő interferenciasávok könnyen összemosódnak.
Youngnak először olyan fényt kellett előállítania, amelynek különböző részei rendezett kapcsolatban maradnak egymással. Ezt ma koherenciának nevezzük. A koherens hullámok közötti fáziskülönbség nem változik véletlenszerűen, ezért erősítéseik és kioltásaik tartós, megfigyelhető mintázatot alkotnak. Young egy keskeny nyíláson vezette át a fényt, majd az így létrejött hullámot két közeli útra osztotta. Mivel mindkét hullám ugyanabból az eredeti hullámból származott, a kettő között fennmaradt a szükséges fáziskapcsolat.
A mai változatban rendszerint közel monokromatikus fényforrást, például lézert irányítanak egy átlátszatlan lemezre, amelyen két párhuzamos, rendkívül keskeny nyílás található. A lemez mögött bizonyos távolságban ernyőt vagy elektronikus fényérzékelőt helyeznek el. Ha a fényt egyszerűen apró, egyenes pályán haladó lövedékek áramának képzelnénk, akkor két megvilágított tartományt várnánk az ernyőn, egyet-egyet mindkét rés mögött. A fény azonban egy keskeny nyíláson áthaladva nem marad szűk nyalábban, hanem szétterül. Ezt a jelenséget elhajlásnak, vagyis diffrakciónak nevezzük.
Minél keskenyebb egy rés a fény hullámhosszához képest, annál erősebb a szétterülés. A két nyílás ezért két új, kiszélesedő hullámforráshoz hasonlóan viselkedik. A Huygens–Fresnel-elv szerint a hullámfront minden pontja elemi hullámok kiindulópontjaként kezelhető, és ezek összege határozza meg, hogyan terjed tovább a fény. A két rés mögött így két átfedő hullámmező jön létre, amelyek az ernyő minden pontjához más-más úthosszon érkeznek el.
A fény elektromágneses hullám, vagyis elektromos és mágneses tere térben és időben periodikusan változik. Az interferencia szempontjából elsősorban az elektromos tér viselkedését érdemes követni. Amikor két hullám ugyanabban a pontban azonos irányú elektromos térrel érkezik, a hatásuk összeadódik. Ha ellentétes irányú térrel találkoznak, részben vagy teljesen kiolthatják egymást. Az első esetet konstruktív, a másodikat destruktív interferenciának nevezzük.
Ez nem azt jelenti, hogy a fénysugarak összeütköznek és megsemmisítik egymást. A mezők szuperpozíciójáról van szó: a pillanatnyi elektromos tér a két hozzájárulás összege. Ha a két hullám hegyei és völgyei egybeesnek, az eredő amplitúdó nagyobb lesz. Ha az egyik hullám hegye a másik völgyével találkozik, az amplitúdó lecsökkenhet, ideális esetben nullára.
A fényérzékelő nem képes közvetlenül követni az elektromos tér rendkívül gyors pozitív és negatív rezgéseit, ezért az időben átlagolt intenzitást méri. Ez az elektromos tér amplitúdójának négyzetével arányos. Itt jelenik meg az interferenciakép matematikai lényege: ha a két hullám amplitúdóját előbb összeadjuk, majd az eredményt négyzetre emeljük, nem ugyanazt kapjuk, mintha a két különálló intenzitást egyszerűen összeadnánk. A számításban megjelenik egy további interferenciatag, amely a két hullám fáziskapcsolatát hordozza, és létrehozza a világos és sötét sávokat.
Az ernyő közepén a két réstől mért távolság közel azonos, ezért a két hullám azonos fázisban érkezik, és világos sávot hoz létre. Ha az ernyőn oldalirányban elmozdulunk, az egyik réstől vezető út valamivel hosszabb lesz, mint a másik. Ezt útkülönbségnek nevezzük. Amikor az útkülönbség egy teljes hullámhosszal vagy annak egész számú többszörösével egyezik meg, a két hullám ismét azonos fázisban érkezik, így újabb világos sáv keletkezik. Ha viszont az útkülönbség fél hullámhossz, másfél hullámhossz vagy más páratlan számú fél hullámhossz, az egyik hullám hegye a másik völgyével találkozik, ezért sötét sáv jelenik meg.
Az ernyőn emiatt szabályos rendben váltakoznak a világos és sötét tartományok. A sávok közötti távolság a fény hullámhosszától, a két rés távolságától, valamint a lemez és az ernyő közötti távolságtól függ. Hosszabb hullámhossz esetén a sávok távolabb kerülnek egymástól, nagyobb réstávolság esetén közelebb, míg az ernyő eltávolításával a teljes mintázat jobban szétterül. A kísérlet ezért a fény hullámtermészetének bemutatásán túl a hullámhossz meghatározására is használható.
A valódi interferenciakép azonban nem korlátlan számú, egyformán fényes csíkból áll. A réseknek véges szélességük van, ezért mindegyik önmagában is diffrakciós mintázatot hoz létre. Az egy résből származó fény széles központi maximumot és egyre gyengébb oldalmaximumokat alkot. A két rés keskeny interferenciasávjai ezen a szélesebb diffrakciós burkológörbén belül jelennek meg, ezért a középső sávok erősebbek, a távolabbiak pedig fokozatosan halványodnak. Egyes interferenciamaximumok akár teljesen hiányozhatnak is, ha éppen egybeesnek az egy résből származó diffrakciós minimumokkal.
A tankönyvi ábrák rendszerint túlságosan szabályos képet mutatnak. A valóságos kísérletben a sávok fényessége nem teljesen egyforma, a széleik nem élesek, és a berendezés apró pontatlanságai is módosítják a mintázatot. A rések szélességének és távolságának pontosnak kell lennie, a lemez nem rezeghet jelentősen, a fényforrásnak stabilan kell működnie, az ernyő helyzetét pedig gondosan kell beállítani. A környezeti fény csökkenti a kontrasztot, a levegő áramlása pedig apró törésmutató-változásokat okozhat.
A modern laboratóriumokban gyakran nem egyszerű ernyőt, hanem CCD- vagy CMOS-érzékelőt használnak. Ezek sok apró képponton mérik a beérkező fény intenzitását, így a számítógép nemcsak képet készít a sávokról, hanem pontos intenzitásprofilt is rajzol. Ha csak az egyik rést hagyják nyitva, a detektor egy széles diffrakciós eloszlást mér. Ha csak a másikat, egy hasonló, kissé eltolt eloszlás jelenik meg. Klasszikus részecskék esetén mindkét rés megnyitásakor ennek a két eloszlásnak az egyszerű összegét várnánk.
A mérés azonban nem ezt mutatja. Mindkét rés megnyitásakor világos és sötét sávok keletkeznek, köztük olyan területekkel, ahol kevesebb fény érkezik, mint amikor csak az egyik rés volt nyitva. Ez a jelenség hullámok esetén természetes, klasszikus részecskékkel azonban nehezen értelmezhető. Egy második nyílás megnyitása részecskék esetén nem csökkenthetné annak esélyét, hogy valami egy adott területre érkezzen. A valószínűség legfeljebb változatlan maradna vagy növekedne. Hullámoknál viszont az amplitúdók egymást erősíthetik és gyengíthetik, ezért több lehetséges út megnyitása bizonyos helyeken kisebb intenzitást eredményezhet.
Young kísérlete a maga korában erős érv volt Newton fényrészecskékre épülő elképzelésével szemben. A tizenkilencedik század során Augustin-Jean Fresnel kidolgozta az interferencia és a diffrakció matematikáját, James Clerk Maxwell pedig megmutatta, hogy a fény elektromágneses hullám. Úgy látszott, hogy a kérdés eldőlt: a fény hullám, a két rés kísérlet pedig ennek látványos bizonyítéka.
A huszadik század elején azonban világossá vált, hogy a fény energiája bizonyos folyamatokban nem folytonosan, hanem elkülönülő csomagokban adódik át az anyagnak. A fotoelektromos hatásban az elektronok úgy nyelik el a fényt, mintha az különálló energiakvantumokból, fotonokból állna. Ezzel új probléma született. Ha a fény az ernyőn mindig egyetlen, lokalizált pontként észlelhető fotonokból áll, miként hozhat létre folytonos hullámokhoz tartozó interferenciaképet?
Egy ideig elképzelhetőnek látszott, hogy a mintázatot a fotonok egymás közötti kölcsönhatása hozza létre. Talán eltérítik vagy valamilyen módon rendezik egymást. Ezt a lehetőséget azonban ellenőrizni lehetett azzal, hogy a fény intenzitását annyira lecsökkentették, hogy a berendezésben egyszerre nagy valószínűséggel csak egyetlen foton tartózkodjon. Ha az interferencia a fotonok egymással való kölcsönhatásából származna, ilyen körülmények között el kellene tűnnie.
Nem tűnt el.
A fotonok egyenként érkeztek a detektorhoz, és minden alkalommal egyetlen apró pontként jelentek meg. Egyetlen becsapódásból sem lehetett megmondani, hol lesznek majd a világos vagy sötét sávok. Ahogy azonban egyre több eseményt rögzítettek, a pontok lassan rendeződni kezdtek. Egyes területeken sok találat gyűlt össze, más helyeken alig néhány. Hosszú mérés után ugyanaz az interferenciakép rajzolódott ki, amelyet az erős, folytonos fényű kísérletben láttak.
Minden foton egyetlen pontban érkezett meg, a sok foton eloszlása mégis hulláminterferenciát követett. Ezzel a két rés kísérlet kilépett a klasszikus hullámoptika világából, és a kvantummechanika egyik legmélyebb problémájává vált.
A következő részben azt vizsgáljuk meg, hogyan állítanak elő egyesével érkező fotonokat, mit érzékel valójában a detektor, hogyan épül fel a mintázat pontról pontra, és miért nem jelenti az interferencia azt, hogy a foton fizikailag két darabra szakadt a réseknél.
