డబుల్ స్లిట్ ప్రయోగం

ఆధునిక భౌతిక శాస్త్రంలో డబుల్-స్లిట్ ప్రయోగం అనేది కాంతి, పదార్థం - ఈ రెండూ తరంగాల, కణాల లక్షణాలు రెండింటినీ ప్రదర్శిస్తాయని నిరూపించే ప్రయోగం. ఇది క్వాంటం యాంత్రిక శాస్త్ర దృగ్విషయపు ప్రాథమిక స్వభావమైన సంభావ్యతను ప్రదర్శిస్తుంది కూడా. ఈ రకమైన ప్రయోగాన్ని మొదటగా కాంతిని ఉపయోగించి 1801 లో థామస్ యంగ్ చేసాడు.  కాంతి తరంగ ప్రవర్తనను ప్రదర్శించేందుకు అతడు ఈ ప్రయోగం చేసాడు.  ఆ సమయంలో కాంతి తరంగాలు గానీ లేదా కణాలు గాని కలిగి ఉంటుంది అని భావించినప్పటికీ. ఆధునిక భౌతికశాస్త్రం ప్రారంభంతో, సుమారు వంద సంవత్సరాల తరువాత, కాంతి వాస్తవానికి తరంగాలు, కణాలు రెండింటి యొక్క ప్రవర్తనా లక్షణాలను చూపిస్తుందని గ్రహించారు. 1927 లో, డేవిసన్, జెర్మెర్‌లు ఎలక్ట్రాన్లు కూడా అదే ప్రవర్తనను చూపిస్తాయని నిరూపించారు. తరువాత ఇది అణువులకు, పరమాణువులకూ విస్తరించింది.  కాంతితో థామస్ యంగ్ చేసిన ప్రయోగం క్వాంటం మెకానిక్స్‌కు ముందు, తరంగ-కణ ద్వంద్వ భావన కంటే ముందు చేసిన శాస్త్రీయ భౌతిక శాస్త్రంలో ప్రయోగం. కాంతి యొక్క తరంగ సిద్ధాంతం సరైనదని ఇది నిరూపించిందని అతను నమ్మాడు. అతని ప్రయోగాన్ని కొన్నిసార్లు యంగ్ ప్రయోగం  అనీ, యంగ్ స్లిట్స్ అనీ పిలుస్తారు.

ఈ ప్రయోగం "డబుల్ పాత్" ప్రయోగాల సాధారణ తరగతికి చెందినది. దీనిలో ఒక తరంగం రెండు వేర్వేరు తరంగాలుగా విభజించబడుతుంది, తరువాత అవి ఒకే తరంగంగా కలిసిపోతాయి. రెండు తరంగాల మార్గం-పొడవులలో మార్పులు ఒక ఫేజ్ మార్పుకు దారితీసి, ఒక ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ పాటర్న్‌ను సృష్టిస్తుంది. మాక్-జెహెండర్ ఇంటర్‌ఫెరోమీటర్ అనేది మరొక వెర్షన్. ఇందులో పుంజాన్ని బీమ్ స్ప్లిటర్‌తో విభజిస్తుంది.

ఈ ప్రయోగపు మౌలిక కూర్పులో, లేజర్ పుంజం వంటి పొందికైన కాంతిని, ఒకదానికొకటి సమాంతరంగా ఉన్న రెండు చీలికలున్న పలకపై ప్రసరింపజేస్తారు. ఆ రెండు చీలికల గుండా వెళ్ళిన కాంతి, ఆ పలకకు వెనుక ఉన్న తెరపై పడుతుంది. కాంతి యొక్క తరంగ స్వభావం కారణంగా రెండు చీలికల గుండా వెళ్ళిన కాంతి తరంగాలు ఇంటర్‌ఫియరెన్స్‌కు లోనౌతాయి. దీంతో తెరపై ప్రకాశవంతం గాను, చీకటి గానూ ఉన్న చారలు ఒకదాని పక్కన ఒకటి ఏర్పడతాయి. కాంతి, కణాలను మాత్రమే కలిగి ఉంటే అలా జరగదు.   అయితే, కాంతి ఎల్లప్పుడూ తెరపై అవే వివిక్త బిందువుల వద్ద శోషించబడుతుంది (కణాల లాగా. తరంగాల లాగా కాదు); తెరపై ఈ కణాల తాకిడి యొక్క విభిన్న సాంద్రతల ప్రకారం ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ నమూనా కనిపిస్తుంది.  ఇంకా, చీలికల వద్ద డిటెక్టర్‌లను ఉంచి ఈ ప్రయోగం చేసినపుడు, గుర్తించబడిన ప్రతి ఒక్క ఫోటానూ ఒకే చీలిక (కణం లాగా) గుండా వెళుతుందని, తరంగం లాగా రెండు చీలికల గుండా వెళ్ళదనీ తేలింది.  కణాలు ఏ చీలిక గుండా వెళుతున్నాయో గుర్తించినట్లయితే, అవి ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ నమూనాను ఏర్పరచవని ఇటువంటి ప్రయోగాలు చూపిస్తున్నాయి. ఈ ఫలితాలు తరంగ-కణ ద్వంద్వత సూత్రాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి.  

ఎలక్ట్రాన్ల వంటి ఇతర పరమాణు-స్థాయి వస్తువులను డబుల్ స్లిట్ గుండా పంపినప్పుడు అవి కూడా అదే ప్రవర్తనను ప్రదర్శిస్తాయి.  అదనంగా, వ్యక్తిగత వివిక్త తాకిడులను గుర్తించడం అనేది అంతర్గతంగా సంభావ్యతపై ఆధారపడి ఉంటుందని గమనించారు. ఇది క్లాసికల్ మెకానిక్స్ వివరించలేని అంశం. 

ఎలక్ట్రాన్లు, ఫోటాన్‌ల కంటే చాలా పెద్ద వస్తువులతో కూడా ఈ ప్రయోగం చేయవచ్చు, కాకపోతే, పరిమాణం పెరిగేకొద్దీ ప్రయోగం కష్టతరమౌతూ ఉంటుంది. ఒక్కొక్కటి 2000 పరమాణువులను కలిగి ఉండే అణువులతో (మోలిక్యూళ్ళు) చేసిన ప్రయోగమే డబుల్-స్లిట్ ప్రయోగంలో వాడిన అతిపెద్ద వస్తువులు. వీటి మొత్తం ద్రవ్యరాశి 25,000 పరమాణు ద్రవ్యరాశి యూనిట్లు. 

క్వాంటం మెకానిక్స్ లోని ప్రధానమైన పజిల్‌లను వివరించడంలో డబుల్-స్లిట్ ప్రయోగం (దాని వివిధ రూపాలతో సహా) ఒక క్లాసిక్‌గా మారింది. ప్రయోగ ఫలితాలను అంచనా వేయడానికి పరిశీలకుడి సామర్థ్యానికి ఉన్న ప్రాథమిక పరిమితిని ఇది ప్రదర్శిస్తున్నందున, రిచర్డ్ ఫేన్‌మాన్ దీనిని "సాంప్రదాయిక పద్ధతిలో వివరించడం అసాధ్యమైన దృగ్విషయం ఇది. దీనిలో క్వాంటం మెకానిక్స్ యొక్క మౌలిక తత్వం ఉంది. వాస్తవానికి, అందులోని ఏకైక రహస్యం ఇందులో ఇమిడి ఉంది." అని అన్నాడు .

అవలోకనం 

కాంతి ఖచ్చితంగా శాస్త్రీయ కణాలను మాత్రమే కలిగి ఉంటే, ఈ కణాలు ఒక చీలిక ద్వారా సరళ రేఖలో పంపి అవతలి వైపున తెరపై పడేలా చేసినట్లయితే, తెరపై ఆ చీలిక పరిమాణంలోను, దాని ఆకృతిలో ఉండే నమూనా కనిపించాలి. అయితే, వాస్తవానికి ఈ "సింగిల్-స్లిట్ ప్రయోగం"లో, తెరపై పడిన బొమ్మ, కాంతిని విస్తరించే ఒక విక్షేపణ పాటర్న్‌గా ఉంటుంది. చీలిక ఎంత చిన్నదైతే, వ్యాప్తి కోణం అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఎరుపు లేజర్ చీలికను ప్రకాశింపజేసినప్పుడు ఏర్పడిన బొమ్మ మధ్య భాగం ఏర్పడిందని బొమ్మ పై భాగం చూపుతుంది. జాగ్రత్తగా చూస్తే, కనీ కనిపించని రెండు సైడ్ బ్యాండ్‌లు కనిపిస్తాయి. మరింత మెరుగైన ఉపకరణంతో మరిన్ని బ్యాండ్‌లను చూడవచ్చు. చీలిక నుండి కాంతి తరంగాల ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ ఫలితంగా ఈ పాటర్న్‌ ఏర్పడిందని విక్షేపం వివరిస్తుంది.

రెండు సమాంతర చీలికల గుండా కాంతిని పంపిస్తే, రెండు చీలికల నుండి బయటికి వచ్చే కాంతి మళ్లీ ఇంటర్‌ఫియరెన్స్‌కు లోనౌతుంది. ఇక్కడ ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ అనేది వరుసగా ఒకదాని తరువాత వెలుతురు, చీకటి పట్టీలు ఉండే మరింత స్పష్టమైన నమూనా. ఈ పట్టీల వెడల్పు, ప్రకాశించే కాంతి పౌనఃపున్యాన్ని బట్టి ఉంటుంది.  (కుడివైపు దిగువన ఉన్న ఫోటోను చూడండి.) థామస్ యంగ్ (1773–1829) మొదట ఈ దృగ్విషయాన్ని ప్రదర్శించినప్పుడు, కాంతి తరంగాలను కలిగి ఉంటుందని ఆ ప్రయోగం సూచించింది. ఎందుకంటే తరంగాలు ఒకదాని తరువాత ఒకటిగా ఏర్పరచే సంకలన, వ్యవకలనాల ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ ద్వారా దాన్ని వివరించవచ్చు.  1800ల ప్రారంభంలో యంగ్ చేసిన ఈ ప్రయోగం, కాంతి యొక్క తరంగ సిద్ధాంతాన్ని అర్థం చేసుకోవడంలో కీలక పాత్ర పోషించింది. 17వ, 18వ శతాబ్దాలలో విస్తృతంగా ఆమోదంలో ఉన్న, ఐజాక్ న్యూటన్ ప్రతిపాదించిన కాంతి యొక్క కణ సిద్ధాంతాన్ని ఇది పూర్వపక్షం చేసింది. అయితే, ఆ తరువాత ఫోటోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం ఆవిష్కరణతో వివిధ పరిస్థితులలో, కాంతి కణాలతో కూడుకుని ఉన్నట్లుగా కూడా ప్రవర్తించగలదని నిరూపితమైంది. ఈ విరుద్ధమైన ఆవిష్కరణలతో శాస్త్రీయ భౌతిక శాస్త్రానికి మించి కాంతి యొక్క క్వాంటం స్వభావాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకోవాల్సిన అవసరం ఏర్పడింది.

ఈ ఒక్క ప్రయోగ ఫలితాలను జాగ్రత్తగా పరిశీలిస్తే, క్వాంటం మెకానిక్స్ మొత్తాన్నీ దీనినుండి పరిశీలించవచ్చని ఫేన్‌మాన్ అంటాడు.  చీలికలకు ముందు డిటెక్టర్లను ఉంచినట్లయితే (మేధాత్మక ప్రయోగంగా), ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ నమూనా అదృశ్యమవుతుందని కూడా అతను ప్రతిపాదించాడు. 

2012లో, స్టెఫానో ఫ్రాబ్బోనీ, అతని సహోద్యోగులు ఫేన్‌మాన్ ప్రతిపాదించిన పథకాన్ని అనుసరించి, ఎలక్ట్రాన్‌లు, రియల్ స్లిట్‌లతో డబుల్-స్లిట్ ప్రయోగాన్ని చేసారు. వారు  నానో ఫ్యాబ్రికేటెడ్ చీలికల (సుమారు 100 నానీమీటర్ల వెడల్పు) గుండా ఒక్కొక్క ఎలక్ట్రాన్‌నే పంపించారు. అవతలి వైపున ఒకే-ఎలక్ట్రాన్ డిటెక్టర్‌తో ఎలక్ట్రాన్‌లను సేకరించడం ద్వారా, అవి డబుల్-స్లిట్ ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ నమూనాను చూపుతాయని వాళ్ళు చూపించారు. 

2019లో, మార్కో గియామర్చి, అతని సహోద్యోగులు యాంటీమాటర్‌తో సింగిల్ పార్టికల్ ఇంటర్‌ఫియరెన్స్‌ను ప్రదర్శించారు.

ప్రయోగంలో ఇతర వైవిధ్యాలు

వ్యక్తిగత కణాల జోక్యం 

ఈ ప్రయోగానికి ఒక ముఖ్యమైన వైవిధ్యంలో ఒక్కొక్క కణాన్ని వాడారు. ఒక్కొక్క కణాన్నే డబుల్-స్లిట్ ఉపకరణం ద్వారా పంపడం వలన ఊహించిన విధంగా తెరపై ఒక్కొక్క కణాలతోనే నమూనా ఏర్పడింది. అయితే విశేషమేమిటంటే, ఈ కణాలు ఒక్కొక్కటిగా పంపించినప్పటికీ, ఒక ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ నమూనా ఏర్పడింది (ప్రక్క ఉన్న చిత్రంలో చూపినట్లు). ఇది వేవ్-పార్టికల్ ద్వంద్వతను ప్రదర్శిస్తుంది. పదార్థాలన్నీ తరంగ, కణ లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయని ఇది చెబుతుంది: కణాన్ని ఒకే స్థానం వద్ద ఒకే పల్స్‌గా కొలుస్తారు, అయితే తరంగం తెరపై ఒక నిర్దిష్ట ప్రదేశంలో కణం ఉండే సంభావ్యతను వివరిస్తుంది.  ఈ దృగ్విషయం ఫోటాన్లు,  ఎలక్ట్రాన్లు,  పరమాణువులు, కొన్ని అణువులతో కూడా సంభవిస్తుందని నిరూపించబడింది.

గుర్తించే సంభావ్యత అనేది తరంగపు ఎత్తు యొక్క వర్గానికి సమానం. దీన్ని క్లాసికల్  తరంగాలతో లెక్కించవచ్చు. క్వాంటం మెకానిక్స్ ఉద్భవించినప్పటి నుండి, కొంతమంది సిద్ధాంతకర్తలు అదనపు నిర్ణాయకాలు లేదా " దాచిన వేరియబుల్స్ " చేర్చడానికి మార్గాల కోసం శోధించారు. అవి తెలిసినట్లయితే, తెరపై ప్రతి వివిక్త కణమూ ఏ స్థానంలో పడుతుందో తెలుస్తుంది.

మూలాలు 

భౌతిక శాస్త్ర ప్రయోగాలు
క్వాంటం భౌతిక శాస్త్రం