Misterio en la difracción de doble rendija de electrones

Aquí hay una manera fácil de ver que su idea, que no es, creo, estúpida, no funciona.

En primer lugar, realice el experimento como se lleva a cabo normalmente y mida el patrón que se construye.

Ahora haga el truco habitual: reduzca la luminosidad de la fuente lo suficiente como para estar seguro de que solo hay una partícula en el experimento a la vez. Verifique que se construya el mismo patrón (muy lentamente ahora: tal vez solo haya un electrón por día o algo así, por lo que este experimento puede llevar mucho tiempo).

Lo que hace este segundo paso es descartar cualquier posibilidad de que el efecto se deba a que múltiples electrones chocan entre sí o algo por el estilo. Todavía es posible que el efecto sea, como usted dice, algún artefacto de electrones rebotando en los bordes de la rendija.

Entonces, el siguiente paso es cerrar una de las rendijas y ejecutar el experimento nuevamente, aún con la luminosidad muy baja.

Y ahora, lo que encontrarás es que el patrón desaparece. en particular, ciertas áreas en el patrón construido con una rendija abierta son más brillantes que en el patrón construido con ambas rendijas abiertas: el patrón con dos rendijas no es simplemente la suma de los patrones de dos experimentos con una sola rendija. Y esto descarta la explicación de rebotar en el borde de la rendija: solo hay un electrón en el experimento a la vez, pero de alguna manera ese electrón sabe si una o ambas rendijas están abiertas o no: lo que sea está haciendo el patrón no es el electrón rebotando en el borde de la rendija, porque si ese fuera el caso, el patrón aún surgiría.

Vale la pena señalar, como se señaló en los comentarios, que esto no es solo un experimento mental: en realidad se ha realizado. Aquí hay un enlace a un documento que describe solo este experimento y una cita del documento:

Los patrones de acumulación de electrones se registraron con la máscara centrada en la doble rendija. La intensidad de la fuente de electrones se redujo de modo que la tasa de detección de electrones en el patrón fue de aproximadamente 1 Hz. A esta velocidad y energía cinética, la distancia promedio entre electrones consecutivos fue$2.3\times 10^6\,\mathrm{m}$.

Hay al menos dos problemas con su idea. Primero, los electrones que rebotan no se desviarán necesariamente hacia el centro. La dirección dependerá de la distancia desde la fuente de electrones hasta las rendijas, la separación entre rendijas y el tipo de colisión (elástica o inelástica). En segundo lugar, el efecto debe ser muy pequeño. Solo una pequeña proporción de los electrones rebotará de esa manera. Y tercero, no puede explicar los picos adicionales que encuentras en la pantalla.

Creo que el problema conceptual básico con su propuesta es que está utilizando imágenes de dispersión clásicas para algo que es mecánico cuántico.

Para obtener la amplitud de probabilidad para el experimento "dispersión de electrones en la doble rendija" y tener la posibilidad de ver patrones de interferencia, uno tiene que ir a la longitud de onda de De Broglie del electrón necesario para las rendijas y la distancia a la pantalla del experimento.

Vea aquí cómo se debe diseñar un experimento real:

Supongamos que queremos usar electrones para nuestro experimento. Construimos una configuración con la pantalla colocada a 1 metro de las rendijas y las dos rendijas a 1 milímetro de distancia (tal vez encontramos este equipo en un armario de almacenamiento en el departamento de física...). Esta configuración hará que la distancia entre los puntos brillantes en nuestra pantalla sea 1000 veces mayor que la longitud de onda de De Broglie de nuestro electrón entrante. Queremos poder ver realmente el patrón de interferencia en nuestros detectores, por lo que tal vez deberíamos solicitar que el espaciado de los puntos brillantes sea de aproximadamente 1 milímetro (esto dependería de los detectores, por supuesto). Esto significa que la longitud de onda de De Broglie de nuestro electrón debe ser de aproximadamente un metro. Ahora volvemos a la ecuación para la longitud de onda de De Broglie, y vemos que sabemos h y ahora sabemos λ, por lo que podemos calcular cuál debería ser p. Dado que conocemos la masa del electrón, calcular el momento es esencialmente lo mismo que calcular la velocidad; para nuestro experimento, ¡encontramos que el electrón debe moverse alrededor de 0.0007 m/s! Esa es una velocidad diminuta... ¡alrededor de 2 pulgadas por minuto (algo así como verter ketchup)!

Un electrón de bola de billar clásico a una velocidad tan baja tendrá que dispersarse de una manera muy peculiar en los lados de las rendijas (esto es física clásica) para que se pueda simular un patrón de interferencia. Además, para que un electrón clásico se disperse por los lados, se debe suponer una gran dispersión en la dirección del haz; de lo contrario, debería pasar sin chocar con nada. En este experimento, la longitud de las paredes de las rendijas es de 100 nm de espesor (ventanas de membrana de nitruro de silicio) , por lo que no hay mucha longitud para la dispersión clásica.

Por el contrario, la mecánica cuántica es un problema de condición límite: un electrón de onda plana que incide en dos rendijas de 62 nm de ancho con una separación de centro a centro de 272 nm (consulte el recuadro 1 en la figura 1). Cada rendija mide 4 μm de altura y tiene un soporte de 150 nm en la mitad de su altura.

La longitud de onda de De Broglie utilizada en el experimento y el hecho de que el patrón de interferencia sigue las predicciones del modelo mecánico cuántico son suficientes para falsear su configuración hipotética .

Los electrones (y los fotones, para el caso) crean patrones de interferencia incluso cuando existe una posibilidad insignificante de que más de uno de ellos esté presente en el aparato a la vez.

Es un experimento bastante fácil de hacer, y se ha hecho muchas veces. Simplemente baje la intensidad del emisor de electrones y registre la posición de los destellos en la pantalla en la parte posterior cuando los electrones individuales lo golpean. Trace estas ubicaciones una por una durante minutos, horas o días en un diagrama de dispersión y, gradualmente, se acumulará el patrón familiar de interferencia de dos rendijas.

Además, uno puede pensar, "tratemos de detectar por qué rendija pasa el electrón". Es posible agregar una bobina que registre el paso de un electrón a través de una de las dos rendijas. Lo que ocurre entonces es que la mera posibilidad de observación del electrón en la rendija (para los electrones que pasan por la otra rendija) hace que cambie la distribución de los electrones que llegan a la pantalla. ¡Ahora no hay un patrón de interferencia de dos rendijas!

Hay una tercera variante en la que se coloca una aguja magnetizada larga y delgada entre las ranuras. El campo magnético fuera de la aguja es insignificante y, sin embargo, el patrón de interferencia se desplaza marcadamente hacia los lados. El electrón "ve" el interior de la aguja, aunque el electrón no tenga suficiente energía para penetrar el grosor de la aguja más que una fracción infinitesimal del tiempo.

La mecánica cuántica es comprobablemente extraña (como en el caso de que las cosas muy pequeñas confunden todos nuestros prejuicios acumulados durante toda una vida de observación de objetos macroscópicos). Lo que muestra este experimento, si insistes en la interpretación con palabras en lugar de con las matemáticas, es que un solo electrón no observado (o la densidad de probabilidad de un solo electrón no observado) atraviesa ambas rendijas y, en cierto sentido, interfiere consigo mismo. Comience a espiar por qué rendija pasa el electrón, y luego establecerá cuál es el patrón de difracción de un electrón que pasa por una sola rendija, porque su observación adicional significa que sabe que el electrón pasó solo por una de las rendijas.

Preguntar cómo puede ser eso es una pregunta sensata para la que básicamente no tenemos respuestas en este momento. simplemente es _ Rechazar la observación en favor de una profunda convicción personal o teológica es un ejercicio de futilidad científica. Mi formulación personal de esto es "no discutas con el universo. Es mucho más grande que tú y siempre gana". Algún día, tal vez, comencemos a descubrir cómo y por qué el universo está hecho de la manera que es.

¡Para una extrañeza aún mayor que abarca años luz, busque el experimento de interferometría de intensidad de Hanbury Brown y Twiss!

tfb escribió en su respuesta

Entonces, el siguiente paso es cerrar una de las rendijas y ejecutar el experimento nuevamente, aún con la luminosidad muy baja. Y ahora, lo que encontrarás es que el patrón desaparece.

Quiere decir, según el comentario a continuación, que el patrón de los flecos cambia. Para ilustrar esto, se podría prestar atención a una analogía para el experimento de una sola rendija con electrones. El fenómeno del disco Airy muestra las franjas de un solo agujero :

Imagen de Wikipedia

En lugar de una rendija, los primeros experimentos con electrones se realizaron con bordes simples (H. Boersch FRESNELSCHE Elektronenbeugung 1940)

Entonces, incluso detrás de los bordes individuales y más detrás de las rendijas individuales, los electrones se difractan en franjas.

Los siguientes experimentos se llevaron a cabo con un prisma de dos franjas :

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En 1956, G. Möllenstedt y H. Düker publicaron "Beobachtungen und Messungen an Biprisma-lnterferenzen mit Elektronenwellen" (Observaciones y mediciones sobre interferencias biprismáticas con ondas de electrones). Los dos científicos conducen un haz de electrones desde una fuente en forma de punto a través de un biprisma electrostático. Según el documento, el voltaje de aceleración era de 50 kV, la rendija de entrada tenía un ancho de aproximadamente 500 Å (50 nm) y una longitud de varios mm. El biprisma consistía en un alambre de cuarzo recubierto de oro de dos micrómetros de espesor (F), que se tensaba entre las dos placas puestas a tierra de un condensador de placas.

Ahora el punto más interesante. Al aplicar un voltaje positivo de solo unos pocos voltios en la placa central filamentosa, los electrones de los dos haces parciales se desvían hacia el centro. Para el - opuesto a la luz 105 veces más pequeña sección transversal del electrón - un potencial de +7 voltios fue suficiente para una difracción exitosa de electrones:

Estos son muchos indicios de que

los electrones rebotan en el borde de la rendija

no es una buena explicación o modelo para explicar la distribución de intensidad detrás de los bordes, rendijas simples o dobles. Así que estás equivocado.

Como señaló ACuriousMind, las explicaciones de las imágenes podrían ser más detalladas. Para esto, vea mi extracto Deflexión de haces de electrones en los bordes .