Svetlo ako vlna pravdepodobnosti

Vlnový charakter svetla je prezentovaný známym Youngovým pokusom z roku 1801, pri ktorom svetlo dopadá na tienidlo s dvomi štrbinami, difraktuje a vytvára interferenčný obrazec pozostávajúci z interferenčných maxím a miním (obr. 13.3.1.1).

Ak na tienidlo, kde vzniká interferencia, umiestnime posuvný detektor fotónov, môžeme zisťovať na základe dopadu fotónov na detektor prenos energie vlnenia na tienidlo. Každý dopad fotónu je registrovaný a počet zaregistrovaných fotónoch na jednotlivých miestach tienidla pri pomalom posune detektoru sa mení. Zvyšuje sa v miestach odpovedajúcim maximám a zmenšuje sa v miestach odpovedajúcim minimám. Pritom nevieme povedať, kedy bude fotón zaregistrovaný v určitom mieste tienidla. Z experimentu môžeme však usúdiť, že pravdepodobnosť, že v jednotkovom časovom intervale bude fotón zaregistrovaný detektorom v danom mieste, v malom objeme so stredom v uvažovanom bode, je úmerná kvadrátu amplitúdy vektora intenzity elektrického poľa tejto vlny. Týmto postupom je možné pozerať na svetlo nielen ako na priečne elektromagnetické vlnenie, ale aj na vlnu s určitou pravdepodobnosťou, nazvanú vlnou pravdepodobnosti. Na základe uvedeného, každému bodu svetelnej vlny môžeme priradiť isté číslo, vyjadrujúce pravdepodobnosť výskytu fotónu v danom mieste A (obr. 13.3.1.2).

Ak použijeme veľmi slabý zdroj svetla možno uvažovať známy jednofotónový pokus na dvojštrbine, ktorý uskutočnil po prvýkrát G. I. Taylor v roku 1909. Ak nasledujúci fotón je emitovaný až po dopade predchádzajúceho fotónu na tienidlo, v myšlienkovom experimente možno položiť rad otázok:

· Ak máme jediný fotón, ktorou štrbinou fotón prechádza?

· Môže jediný fotón prejsť obidvomi štrbinami súčasne a interferovať sám so sebou?

Klasická fyzika nevie dať uspokojivú odpoveď. Pri dostatočne dlhej dobe trvania experimentu na dvojštrbine (obr. 13.3.1.1), ktorý Taylor uskutočňoval niekoľko mesiacov, vie ukázať, ako sa zmení intenzita v jednotlivých miestach detektoru. Na detekciu sa použila fotografická platňa. V prípade, že na ňu dopadajú jednotlivo fotóny, ak máme otvorenú len jednu štrbinu rozloženie intenzít ukazujú krivky na obr. 13.3.1.3. - červená čiarkovaná krivka otvorená prvá štrbina, modrá čiarkovaná krivka – otvorená len druhá štrbina. Ak polovicu experimentu bude otvorená prvá štrbina a druhú polovicu experimentu druhá štrbina, získame rozloženie intenzity, ktoré prezentuje krivka nakreslená zelenou farbou. Rozloženie intenzity v prípade súčasného otvorenia obidvoch štrbín, ukazuje čierna plná krivka.

Pozorované výsledky experimentov na dvojštrbine možno vysvetliť za predpokladu, že:

· fotón vzniká v zdroji, ktorý vytvára dopadajúce svetlo;

· fotón zaniká pri dopade na tienidlo, pri ktorom interaguje s pevnou látkou tienidla;

· medzi zdrojom a tienidlom sa svetlo nepohybuje ako tok fotónov, ale ako vlna pravdepodobnosti;

· vlna pravdepodobnosti sa môže ohýbať na každej štrbine, nezávisle od toho ako slabý je zdroj fotónov;

· obidve difraktované vlny, každá od inej štrbiny, môžu interferovať;

· fotóny sú detegované v oblastiach s maximálnou pravdepodobnosťou;

· v oblastiach miním je pravdepodobnosť nulová, fotóny nebudú registrované.

Týmto pokusom, možno objasniť fyzikálny význam vlnovej funkcie, ktorú priradíme každej častici na základe De Broglieho hypotézy, o ktorej pojednáva nasledujúci paragraf 13.3.2

1. Aké javy prezentujú vlnovú povahu svetla?
2. Vysvetlite význam červenej , resp. modrej, krivky grafu na obr. 13.3.1.2.
3. Vysvetlite význam zelenej krivky grafu na obr. 13.3.1.2.
4. Vysvetlite význam čiernej krivky grafu na obr. 13.3.1.2.
5. Interpretujte pojem interferencie dvoch vlnení.