Експеримент Юнга з двома щілинами: від підтвердження хвильової природи світла до сучасних квантових інтерпретацій

Експеримент з двома щілинами, вперше проведений англійським фізиком Томасом Юнгом (1773–1829), став ключовим доказом того, що світло має хвильову природу. Завдяки цьому досліду фізики у XIX столітті отримали вагоме експериментальне підтвердження теорії інтерференції світла, що пізніше слугувало поштовхом для формування електромагнітної теорії світла. У XX столітті той самий експеримент набув нового виміру: він допоміг розкрити квантову природу випромінювання та зіграв центральну роль у розвитку концепції хвильово-корпускулярного дуалізму. Сучасні дослідження на базі цього досліду не лише уточнюють деталі квантової механіки, а й знаходять практичне застосування в оптоелектроніці, лазерних технологіях та інформаційних системах [1].

Історичний екскурс до експерименту Юнга з двома щілинами

Томас Юнг прославився не лише як фізик, а й як видатний лікар, лінгвіст та поліглот. На рубежі XVIII–XIX століть він захопився природою світла і в 1801 році представив сміливу гіпотезу про те, що світло поводиться як хвиля. Однією з найбільш впливових публічних демонстрацій цієї ідеї став його експеримент з двома щілинами. Юнг розмістив дві паралельні вузькі щілини на шляху світлового променя, а на деякій відстані встановив екран. Коли спостерігач дивився на освітлений екран, то бачив чергування світлих і темних смуг. Цей феномен пояснювався як результат інтерференції — накладання хвиль, які, посилюючись або послаблюючись, утворювали інтерференційну картину [1]. У період, коли домінувала корпускулярна теорія світла, пропонована ще Ісааком Ньютоном (1642–1727), нові результати Юнга сприймалися неоднозначно, але поступово підтвердилися подальшими експериментами і стали невід’ємною складовою класичної оптики.

Принцип роботи експерименту

Щоб отримати якомога яскравішу інтерференційну картину, необхідно забезпечити когерентне світло. Історично Юнг використовував сонячне світло, пропускаючи його через одну вузьку щілину для вирівнювання фаз. У сучасних умовах дослід часто виконують за допомогою лазерів, адже вони природно дають когерентне випромінювання. Коли пучок світла потрапляє на дві паралельні щілини, кожна з них стає вторинним джерелом хвиль. На віддаленому екрані можна побачити смуги, розташовані так, що світлі ділянки (максимуми) відповідають точкам конструктивної інтерференції, а темні (мінімуми) — точкам деструктивної інтерференції.

Малюнок Томаса Юнга для інтерференції від двох щілин

Відстань між світлими смугами залежить від ширини щілин, відстані між ними та довжини хвилі світла. Якщо зменшити відстань між щілинами, інтерференційні смуги будуть розходитися далі одна від одної, а якщо збільшити довжину хвилі (наприклад, переходячи від фіолетового до червоного світла), то смуги теж розширюються. У цьому досліді можна експериментально перевірити, як різні параметри впливають на розподіл світла та тим самим підтвердити його хвильову природу.

Двощілинна дифрактограма на плоскій хвилі

Математичний опис інтерференції

Для опису інтерференційної картини за умови, що екран перебуває на великій відстані (так звана геометрія Фраунгофера), використовують формулу:

d sin(θ) = mλ

де d — відстань між щілинами, θ — кут від центральної осі до максимуму, λ — довжина хвилі світла, m — порядковий номер максимуму (m = 0, ±1, ±2, …).

Якщо різниця ходу світлових хвиль від двох щілин відповідає цілому числу довжин хвиль (mλ), виникає конструктивна інтерференція (яскрава смуга). Коли ж ця різниця дорівнює (m + ½)λ, спостерігається деструктивна інтерференція (темна смуга). Ці прості рівняння стали відправною точкою для подальшого розвитку хвильових уявлень у фізиці [1].

Хвильово-корпускулярний дуалізм

Згодом, коли на початку XX століття сформувалася квантова механіка, дослід Юнга з двома щілинами розкрився у новому світлі. Виявилося, що якщо пропускати фотони по одному і водночас не “відстежувати”, через яку саме щілину вони пройшли, то все одно виникає інтерференційна картина [2]. Цей феномен став одним із найяскравіших підтверджень концепції дуалізму: світло поводиться і як потік частинок (фотонів), і як хвиля, що описується функцією ймовірності. Коли ж експериментатор намагається визначити, через яку щілину пройшов фотон, інтерференція зникає, демонструючи, наскільки тісно в квантовій фізиці пов’язані спостереження, вимірювання і сам результат досліду.

Сучасні варіації експерименту з двома щілинами

У сучасній науці ідею з двома щілинами було поширено на інші об’єкти. Наприклад, дослід з електронами підтверджує, що навіть частинки матерії демонструють хвильову природу: окремі електрони, пролітаючи через дві щілини, створюють аналогічну інтерференційну картину. Це відкрило двері до розуміння хвильових властивостей усіх мікрочастинок і лягло в основу співвідношення де Бройля. Аналогічні експерименти виконували і з іншими квантовими об’єктами — від атомів до складніших молекул. Чим більше розширюється діапазон експериментів, тим переконливішим стає висновок про універсальність квантового опису. Сьогодні дослід Юнга залишається центральною ілюстрацією того, як саме природа поводиться на найглибшому рівні, і до яких несподіваних наслідків може призвести навіть проста зміна умов спостереження [2].

Траєкторії частинок за теорією Де Бройля–Бома в двощілинному експерименті.

Значення експерименту для науки та технологій

Експеримент Юнга став основою для розвитку сучасної оптики: саме він допоміг укріпити хвильову концепцію світла, що пізніше лягла в основу рівнянь електромагнітного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879). З іншого боку, підтвердження квантових ефектів на прикладі хвильової поведінки фотонів стимулювало створення фотонної теорії світла Альберта Айнштайна (1879–1955) та розширення квантової механіки.

Сьогодні принципи інтерференції — ключ до розуміння багатьох технологічних рішень: голографія, оптичні сенсори, надточні вимірювання з використанням лазерів, а також телекомунікаційні системи, що покладаються на ефекти когерентності та мультиплексування світлових сигналів. Завдяки експериментам, які беруть за основу ідеї Юнга, можна створювати високоточні інтерферометри для вимірювання відстаней, руху та інших фізичних величин.

Висновок

Експеримент Юнга з двома щілинами не лише закріпив ідею про хвильову природу світла, а й став наріжним каменем для всієї квантової фізики. Цей дослід яскраво ілюструє, як у мікросвіті спостереження впливає на результат, і водночас слугує простим прикладом, який дозволяє побачити тонку взаємодію між теорією та експериментом. Сьогодні він зберігає своє виняткове навчальне та наукове значення: від шкільних лабораторних робіт до високотехнологічних квантових досліджень, підтверджуючи, що прості ідеї можуть призвести до найглибших відкриттів у фізиці.

Список джерел:

1. Feynman R. P., Leighton R. B., Sands M. The Feynman Lectures on Physics: Quantum Behavior. Caltech, 2023. URL: https://www.feynmanlectures.caltech.edu/ (дата звернення: 26.01.2025).

2. Young’s Double-Slit Experiment: Modern Observations, Physics LibreTexts, 2021. URL: https://phys.libretexts.org/(дата звернення: 26.01.2025).