Dobbeltspalte-eksperimentet

"Hvis du ikkje er forvirra av kvantefysikken så har du ikkje verkelig forstått den!" - Niels Bohr 

Kanskje eit av fysikkens viktigaste eksperiment - eller egentlig sett av eksperiment, for det fins i mange variantar - er det såkalte dobbeltspalteeksperimentet. Opprinnelsen er Youngs dobbeltspalteeksperiment der han viste at lys dvs fotoner som passerer gjennom to spalter produserer eit interferensmønster. Men seinare viste det seg at dette fungerer like godt for partiklar som for fotoner.

Vi tenkjer oss at vi har ei strålekjelde som sender ut elektroner, ei plate med to spalter som vi kan opna og lukka uavhengig av kvarandre, og ein fosforisarende skjerm som gløder i det punktet der eit elektron treff. Med dette oppsettet kan vi gjera ulike forsøk:

1. Ein open spalte

Hvis vi bare opnar den eine spalteopningen, forventar vi at elektronane vil treffa skjermen i forlengelsen av den rette linja frå kjelda til spalteopningen. Og det er akkurat det vi ser. Det oppstår eit lysande felt i øvre kant av skjermen. Og hvis vi i staden opnar den nedre spalten får vi eit tilsvarende mønster i nedre kant. Men hvis vi no har begge spaltane opne samtidig ville vi kanskje tru at vi får et mønster med to lysande bånd, eit oppe og eit nede. Men det er ikke det vi observerer!

2. Begge spalter opne.

I staden ser vi eit antall lysande felt i posisjonar som er forskjellige frå dei vi fekk ved enkeltspalteforsøket. Elektronane viser eit interferensmønster som er typisk for bølgjer, og som liknar det Young fekk då han studerte lys. Bølgjer som møtes etter å ha tatt ulike veier får høg amplitude der to bølgetoppar eller bølgedalar treff samtidig og null amplitude der ein topp møter ein dal. Dette kallast utslokking.

Ein mulig konklusjon av dette er altså at elektronene oppfører seg som bølgjer og interfererer med kvarandre. I såfall vil vel dette mønsteret forsvinna hvis vi sender gjennom bare ein spalteopning om gongen?

3. To spalter, ein partikkel om gongen

For å ta bort interferensen kan vi tenkja oss at vi reduserer elektronstraumen slik at det bare er eit elektron som slepp gjennom spaltene om gongen. Men sjølv om elektronane ser ut til å reisa som bølgjer så treff dei likevel som partiklar. For kvart elektron som treff lagar bare ein liten lysande flekk slik som før. For å fange opp eit synlig mønster kan vi no plassera ein fotografisk film bak skjermen for å sjå det samla resultatet av mange enkeltvise elektrontreff. Det er fristande å tru at vi denne gongen iallfall vil få to lysande band. Men når vi framkallar filmen ser vi akkurat det samme mønsteret som i forsøk 2!

Den eineste forklaringen må vera at eit enkelt elektron faktisk passerer gjennom begge spaltene og interfererer med seg sjølv.

4. Passkontroll ved spaltene

For å kontrollera om dette er tilfelle kan vi plassera sensitive detektorar ved kvar spalteopning og måle kva for spalte (eller spalter) elektronet har passert. Men det vi finn då er at elektronet aldri passerer begge samtidig, bare den eine eller den andre! Og kva verre er, når vi måler kva spalte elektronane passerer så forsvinn også interferensmønsteret!

Forklaringen er at elektronet, som er representert med ei bølge, faktisk passerer begge spaltene samtidig. Så lenge vi ikkje har passkontroll, så er elektronet i ein ubestemt tilstand. Men hvis vi set opp apparater som faktisk måler kva spalte elektronet passerer så tvingar vi det til å passera bare ei av opnimgane. Dermed får vi ikkje noko interferensmønster. Med andre ord ser det ut til at hvis eksperimentet er designa for å måla"partikkel-egenskaper" som posisjon så oppfører elektronet seg som ein partikkel, men om vi designar eksperimentet for å måla bølgje-egenskapar så oppfører elektronet seg som ei bølgje.