Эксперимент с двойным щелем — один из наиболее известных и поучительных экспериментов в квантовой механике. Он показывает, что электроны (и другие элементарные частицы) ведут себя как волны и могут проявлять интерференцию, даже когда они отправляются по одному за раз.

Почему электроны создают интерференционную картину

Когда электроны проходят через двойной щель, они могут интерферировать друг с другом, создавая характерную интерференционную картину на экране. Это происходит, если:

Двойная природа частиц: Квантовые объекты, такие как электроны, обладают свойствами как частиц, так и волн. Они могут описываться волновыми функциями, которые распространяются в пространстве и могут интерферировать.

Разнообразие путей: При отсутствии наблюдения на уровне щелей каждый электрон проходит через обе щели одновременно (в соответствии с понятием суперпозиции). Из-за этого волновые функции, соответствующие двум путям, могут интерферировать друг с другом, создавая зоны конструктивной и деструктивной интерференции.

Регистрируемая фоновая фигура: Когда много электронов регистрируются на экране, они формируют интерференционную картину, что говорит о том, что каждый электрон действительно интерферирует со своим "собственным" волновым фронтом.

Интерпретации квантовой механики

Существует несколько интерпретаций квантовой механики, которые пытаются объяснить наблюдаемое явление:

Копенгагенская интерпретация: В этом подходе считается, что до момента измерения частица существует в состоянии суперпозиции всех возможных состояний. При измерении происходит "коллапс" волновой функции, и реализация одного из возможных состояний. Интерференция объясняется тем, что частица ведёт себя как волна до момента измерения.

Многие мировые интерпретации: Согласно этой интерпретации, каждый раз, когда происходит измерение, вселенная "разделяется" на несколько миров, в каждом из которых осуществляется один из возможных исходов. Таким образом, интерференция возникает из-за существования различных, но равноценны́х миров.

Де Бройлевская-Bohm интерпретация (проводящая волновая функция): Эта интерпретация предполагает наличие "проводящей" волновой функции и утверждает, что частицы имеют определённые траектории, которые зависят от волновой функции. Интерференция возникает из-за взаимодействия траекторий с волной.

Интерпретация консистентных историй: Согласно этой интерпретации, квантовые системы описываются последовательностями событий, которые могут быть связаны при помощи вероятностей, а интерференция – это следствие взаимосвязи этих событий в истории системы.

Каждая из этих интерпретаций имеет свои сильные и слабые стороны и пока не существует единственно приемлемого объяснения квантовых явлений, таких как интерференция в экспериментах с двойным щелем.