Youngin kaksoisrakokoe

Kaksoisrakokokeessa valo kulkee kahden lähekkäin olevan raon läpi muodostaen tummemmista ja vaaleammista vyöhykkeistä muodostuvan kuvion takana olevalle heijastimelle. Näiden vyöhykkeiden muodostuminen riippuu rakojen kautta kulkevien valoaaltojen keskinäisestä interferenssistä; ne joko vahvistavat tai kumoavat toisiansa. Kokeen voi suorittaa myös elektronisäteillä tai yksittäisillä atomeilla, joista muodostuu vastaavanlaiset tummien ja vaaleiden alueiden vyöhykkeet. Tätä pidetään todisteena kvanttifysiikan selittämästä aalto-hiukkasdualismista.

Merkitys fysiikalle

Kaksoisrakokokeen suoritti ensimmäisenä englantilainen tiedemies Thomas Young vuonna 1802 yrittäessään selvittää muodostuiko valo hiukkasista vai aalloista, jotka kulkevat jonkinlaisessa eetterissä kuten ääniaallot ilmassa.

Kokeessa havaitut interferenssikuviot eivät näyttäneet tukevan hiukkasteoriaa ja aaltoteoria olikin vahvoilla 1900-luvun alkuvuosiin asti, johon mennessä hiukkasteorian puolesta oli kertynyt niin paljon todisteita, että hiukkasteoria näytti olevan oikea ratkaisu.

Kaksoisrakokokeen variaatio elektronisäteillä toteutettuna tehtiin vasta vuonna 1961 ja yksittäisillä atomeilla vuonna 1974 Milanon yliopiston laboratoriossa tutkija Pier Giorgio Merlin johdolla. 

Vuoden 1974 testin tulokset julkaistiin ja siitä tehtiin jopa lyhytfilmi, mutta se ei saavuttanut laajempaa huomiota. Koe toistettiin vuonna 1989 Japanissa Hitachin Tonomuran toimesta. Tonomuran käyttämät menetelmät olivat tarkempia ja elegantimpia, mutta tulokset olivat samat kuin aikaisemmissakin kokeissa.

Kokeen selitys 

Alkuperäisessä Youngin kaksoisrakokokeessa auringonvalo kulkee ensin yksittäisen raon läpi ja sen jälkeen kahden ohuen pystysuoran raon läpi muutoin valoa läpäisemättömissä levyissä joiden takana olevan levyn (heijastin, varjostin) pinnalle interferenssikuviot muodostuvat ja josta ne ovat havaittavissa.

Kun toinen raoista peitetään, yksittäinen valohuippu on havaittavissa heijastimella valon kulkiessa raon läpi.

Kun molemmat raot ovat auki, näkyy heijastimella tummien ja vaaleiden viivojen muodostama interferenssikuvio eikä kahden yksittäisen raon huippujen summaa, jota voitaisiin odottaa näkyväksi jos valo muodostuisi hiukkasista.

Tämä kuvio voitiin parhaiten selittää valoaaltojen keskinäisenä vuorovaikutuksena eli interferenssinä, kun ne yhdistyivät uudelleen rakojen jälkeen. Tätä voitiin verrata aaltoihin vedessä, jossa aallot vaikuttavat toisiinsa muodostaen aallonhuippuja ja –pohjia. Kirkkaimmissa kohdissa on vahvistava vuorovaikutus, joissa kaksi valohuippua saapuvat varjostimelle samanaikaisesti. Tummemmissa kohdissa näkyy vaimentava vuorovaikutus, jossa valoaallonhuippu ja –pohja saapuvat samanaikaisesti heijastimelle.

Ajatuskoe

Vuoteen 1920 lukuisissa kokeissa (esimerkiksi valosähköinen ilmiö) oli todettu, että valo vaikuttaa materiaan vain tietyillä ”kvantti”- paketeilla, joita kutsutaan fotoneiksi.

Jos auringonvalo korvataan valolähteellä joka pystyy tuottamaan yhden fotonin kerrallaan ja jos käytetään riittävän herkkää heijastinta joka pystyy havaitsemaan yksittäisen fotonin, voidaan Youngin koe suorittaa teoriassa fotoni kerrallaan, samoin tuloksin kuin muillakin kokeilla.

Jos toinen rako peitetään, yksittäiset fotonit osuessaan heijastimelle muodostavat ajan kanssa yhden huippukohdan aivan kuten yksittäisen raon aurinko valonlähteenä tapauksessa.

Mutta, jos molemmat raot avataan, muodostavat fotonit aikanaan sarjan tummia ja vaaleita kohtia käsittävän interferenssikuvion heijastimelle.

Tämä tulos näyttäisi samanaikaisesti sekä vahvistavan että kiistävän aaltoteorian. Toisaalta, interferenssikuvio todistaa, että valo käyttäytyy aaltomaisesti, vaikka sitä käsiteltiin fotoni kerrallaan.

Toisaalta taas, joka kerran kun tietyn suuruisen energian omaava fotoni lähetettiin valolähteestä, havaittiin heijastimella energialtaan vastaavansuuruinen fotoni. Koska fotonit lähetettiin yksitellen, eivät ne voineet olla keskenään vuorovaikutuksessa. 

Moderni kvanttiteoria vastaa näihin kysymyksiin esittelemällä todennäköisyysaallot, jotka kuvaavat yksittäisen hiukkasen esiintymistodennäköisyyttä tietyssä paikassa. Nämä todennäköisyysaallot ovat keskenään vuorovaikutuksessa kuten tavalliset aallot.

Kokeen parannellussa versiossa kumpaankin rakoon laitetaan tunnistin osoittamaan kummasta raosta fotoni oli kulloinkin mennyt. Tällainen koejärjestely kuitenkin aiheuttaa sen, että viivoja ei tule heijastimelle johtuen aaltofunktion romahdukseen liittyvistä syistä.

Vuorovaikutuksen ehdot 

Vuorovaikuttavien aaltojen pitää olla koherentteja eli valon on oltava samantaajuista ja samanvaiheista. Youngin kokeessa tähän päästiin ohjaamalla valo ensin yhden raon läpi, jonka aiheuttama diffraktio tuotti koherentin aallon. Nykyisin koherentteja valoaaltoja tuotetaan laserilla ja ilman ensimmäistä rakoa.

Valolähteen pitää olla polaroitua.

Rakojen täytyy olla lähellä toisiaan (n. 1000 kertainen valolähteen aallonpituuteen verrattuna), muutoin interferenssikuvio olisi liian lähellä havaittavaksi.

Rakojen leveys on tavallisesti hiukan pienempi kuin käytetyn valon aallonpituus (λ) siitä syystä, että rakoja voitaisiin pitää pistemäisinä palloaaltojen lähteinä sekä vähentämään yksittäisen raon aiheuttaman diffraktion vaikutuksia tuloksiin.

Havaittuja tuloksia 

Heijastimella havaitut kirkkaat vyöhykkeet muodostuvat, kun valo on vahvistavassa vuorovaikutuksessa, eli kun aallonhuiput kohtaavat heijastimella. Tummat kohdat varjostimella ilmenevät kun aallonhuippu ja aallonpohja kohtaavat.

Yhdistävä kaava rakojen keskinäisen välin , valon aallonpituuden , varjostimen etäisyyden raoista  ja vyöhykkeiden leveyden (vyöhykkeiden keskikohtien välinen etäisyys)  välillä on:
.
 
Tämä on vain likiarvo ja riippuu tietyistä ehdoista.

Valon aallonpituus voidaan laskea käyttämällä tätä kaavaa ja edellä mainittua laitteistoa. Jos  ja  tunnetaan ja  mitataan, voidaan  laskea helposti.

Katso myös 
 optinen ilmiö

Lähteet

Aiheesta muualla 

The Double Slit Experiment. [physicsweb.org]

Aaltomekaniikka
Fysikaaliset kokeet
Kvanttimekaniikka