Το πείραμα της διπλής σχισμής του Feynman παίρνει μορφή.

Τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσα από δύο σχισμές και μία
 σχισμή

Φυσικοί στις ΗΠΑ και τον Καναδά δηλώνουν ότι έχουν κάνει μια πολύ καλή δουλειά για την υλοποίηση του διάσημου νοητού πειράματος του Richard Feynman για το πώς περνούν τα ηλεκτρόνια από δύο σχισμές. Αν και οι ερευνητές δεν είναι η πρώτη φορά που προσπάθησαν να δημιουργήσουν το πείραμα στο εργαστήριο, λένε ότι η υλοποίησή τους συλλαμβάνει με τον καλύτερο τρόπο την ουσία της αρχικής άσκησης.

Ο Φάινμαν περιγράφει αρχικά το νοητό πείραμα σε ένα τόμο από τρεις διάσημες σειρές "Διαλέξεις του Φάινμαν στη Φυσική" σαν ένα τρόπο για να καταδειχθεί η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου στην κβαντική μηχανική. Στο βιβλίο, ο ίδιος καλεί τον αναγνώστη να φανταστεί το πέρασμα μεμονωμένων ηλεκτρονίων μέσα από δύο σχισμές και στη συνέχεια, σημειώνοντας τη θέση που κάθε ηλεκτρόνιο χτυπά μια οθόνη πίσω από τις σχισμές.

Μετά από πολλά ηλεκτρόνια που πέρασαν μέσω των σχισμών, τα σήματα στην οθόνη θα περιλαμβάνουν ένα διάγραμμα περίθλασης - δηλ. απεικονίζει την κυματοειδή συμπεριφορά κάθε ηλεκτρονίου. Αλλά αν καλύψουμε τη μία από τις σχισμές, έτσι ώστε κάθε ηλεκτρόνιο να μπορούσε να περάσει μόνο μέσα από την άλλη σχισμή, η εικόνα περίθλασης δεν φαίνεται - που δείχνει ότι κάθε ηλεκτρόνιο όντως ταξιδεύει μέσω των δύο σχισμών.

Η ιστορία των πειραμάτων

Όταν ο τρίτος τόμος "Διαλέξεις του Φάινμαν στη Φυσική", δόθηκε στη δημοσιότητα το 1965, οι φυσικοί γνώριζαν ήδη ότι η πυροδότηση μιας δέσμης ηλεκτρονίων σε μια διπλή σχισμή δημιουργεί ένα πρότυπο περίθλασης, από το πείραμα που είχε πραγματοποιηθεί το 1961 από τον Claus Jönsson του Πανεπιστημίου του Tübingen στη Γερμανία. Όμως, ενώ στη δουλειά του Jönsson φαίνεται σαφώς ότι η δέσμη των ηλεκτρονίων μπορεί να συμπεριφέρεται σαν κύμα, δεν απέδειξε σε ένα κρίσιμο σημείο του πειράματος του Feynman - ότι ένα ηλεκτρόνιο από μόνο του μπορεί να συμπεριφέρεται σαν ένα κύμα.

Η περίθλαση, από το πέρασμα ενός μόνο ηλεκτρονίου από τη διπλή σχισμή, για πρώτη φορά αποδείχθηκε το 1974 από τον Giulio Pozzi και τους συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Μπολόνια στην Ιταλία, ο οποίος πέρασε μονά ηλεκτρόνια μέσω ενός διπρίσματος - μια ηλεκτρονική οπτική συσκευή, που κάνει την ίδια λειτουργία με τη διπλή σχισμή - και παρατηρήθηκε η συσσώρευση σε ένα μοτίβο περίθλασης. Ένα παρόμοιο πείραμα πραγματοποιήθηκε επίσης το 1989 από τον Akira Tonomura και τους συνεργάτες του στο ερευνητικό εργαστήριο της Hitachi στην Ιαπωνία.

Το πρώτο πείραμα για το πέρασμα μονών ηλεκτρονίων από μια πραγματική διπλή σχισμή είχε γίνει το 2008 από τον Pozzi και τους συνεργάτες του. Η ιταλική ομάδα πραγματοποίησε επίσης το πείραμα με μία σχισμή, η οποία - όπως αναμενόταν - δεν οδήγησε στη δημιουργία σχήματος περίθλασης διπλής σχισμής. Η ομάδα πραγματοποίησε επίσης ένα άλλο πείραμα, το 2012, στο οποίο οι αφίξεις των μεμονωμένων ηλεκτρονίων από μια διπλή σχισμή καταγράφηκαν ένα κάθε φορά.

Η Αλήθεια στη μεθοδολογία του Feynman

Ο Herman Batelaan από το Πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα-Λίνκολν, μαζί με τους συναδέλφους του στο Ινστιτούτο Perimeter για τη θεωρητική φυσική στο Βατερλώ του Καναδά, τώρα λένε ότι έχουν δημιουργήσει το πείραμα της διπλής σχισμής που ακολουθεί την ακριβή μεθοδολογία του νοητού πειράματος του Feynman.

Η ομάδα δημιουργήθηκε μια διπλή σχισμή σε χρυσό επικαλυμμένο με μεμβράνη σιλικόνης, στο οποίο κάθε σχισμή είναι 62 nm πλάτους και 4 μm σε μήκος με διάκενο σχισμών 272 nm. Για να κλείνει μία σχισμή τη φορά, ένα μικροσκοπικό διάφραγμα που ελέγχεται από έναν πιεζοηλεκτρικό ενεργοποιητή με κλείστρο προς τα πίσω και προς τα εμπρός κατά μήκος των διπλών σχισμών.

Τα ηλεκτρόνια δημιουργήθηκαν από ένα νήμα βολφραμίου και επιταχύνθηκαν με 600 V παραλληλισμένα σε μία δέσμη. Μετά τη διέλευση διαμέσου της διπλής σχισμής, ανιχνεύονταν χρησιμοποιώντας μια πολυκαναλική πλάκα.

Ένα ηλεκτρόνιο ανά δευτερόλεπτο

Η ένταση της πηγής ηλεκτρονίων ορίστηκε τόσο χαμηλά ώστε μόνο ένα περίπου ηλεκτρόνιο ανά δευτερόλεπτο ανιχνεύθηκε - ώστε να διασφαλίζεται ότι μόνο ένα ηλεκτρόνιο σε μια στιγμή θα μπορούσε να περνά διαμέσου των σχισμών. Με το ρυθμό αυτό χρειάστηκαν περίπου δύο ώρες για  τη δημιουργία ενός σχήματος στον ανιχνευτή - μια διαδικασία που καταγράφηκε σε πραγματικό χρόνο (δείτε το βίντεο στην Αρχική Σελίδα αυτού του blog). Οι μετρήσεις επαναλήφθηκαν με το διάφραγμα σε μια σειρά από θέσεις: πρώτα κλείνουν οι δύο σχισμές, μετά η μία σχισμή μετά καμία και στη συνέχεια το ανάποδο. Όπως αναμενόταν, το σχήμα της διπλής-σχισμής παρατηρήθηκε όταν τα ηλεκτρόνια είχαν πρόσβαση και στις δύο σχισμές, αλλά δεν παρατηρείται όταν η μία σχισμή έχει αποκλειστεί.

Ο Batelaan είπε στο physicsworld.com ότι το πείραμα είναι ιδιαίτερα σημαντικό από άποψη προβολής, επειδή σε αντίθεση με τα πειράματα του διπρίσματος του παρελθόντος, χρησιμοποιεί στην πραγματικότητα μια φυσική διπλή σχισμή και ως εκ τούτου είναι πιο προσιτή στο κοινό. Το πείραμα της διπλής σχισμής του Young με μεμονωμένα ηλεκτρόνια ψηφίστηκε το "πιο όμορφο πείραμα στη φυσική" από τους αναγνώστες του Physics World το 2002.

Το πείραμα περιγράφεται στο New Journal of Physics.

Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δ. Γιάκας

Αυτή η σειρά δείχνει τα σχήματα από τα ηλεκτρόνια, που παράγονται όταν το διάφραγμα πάει σε διαφορετικές θέσεις. Η θέση του διαφράγματος (πορτοκαλί ορθογώνιο) σε σχέση με τις δύο σχισμές (φωτεινές γραμμές) φαίνεται στο αριστερό μέρος της κάθε εικόνας. Όταν εκτίθενται και οι δύο σχισμές, διακρίνεται το σχήμα της περίθλασης; Ενώ όταν είναι ανοικτή μόνο μία σχισμή, το σχήμα δεν υπάρχει.