من أشهر التجارب الفيزيائية هي تجربة الشق المزدوج، والتي أجراها الفيزيائي والطبيب الإنجليزي توماس يونغ في عام 1801م، والذي يوضح فيها أن جزيئات المادة الصغيرة لديها نوع من الموجة حولها، وتشير إلى أن فعل مراقبة الجسيم له تأثير على سلوكه.
تجربة الشق المزدوج
في عام 1801م، قام يونغ بعمل تجربة الشق المزدوج كما يلي:
- وضع شاشة بها شقان مقطوعين، أمام ضوء أحادي اللون.
- لم يرَ يونغ منطقتين ساطعتين تقابلان الشقوق، بل رأى أطرافًا مشرقة ومظلمة.
- اقترح بأن الضوء عبارة عن موجة، عكس فكرة نيوتن بأن الضوء عبارة عن جسيمات.
تفسير تجربة الشق المزدوج
سنقوم بشرح تجربة الشق المزدوج بعدة خطوات:
- الخطوة الأولى: اقطع شقين في لوح معدني، وأرسل الضوء عبرهما، أولًا كموجة ثابتة، ثم في جزيئات فردية.
- الجسيمات: إذا مررنا عبر هذين الشقوق قطعاً صغيرة من أي مادة، فبعض هذه الجسيمات سيرتد عن اللوح، وبعضها الآخر سيمر عبر الشقوق التي أحدثناها في اللوح المعدني، وستحدث علامات على الجدار الداخلي بنفس شكل الشقوق تقريبًا.
- الضوء: قم الآن بتسليط ضوء بلون واحد، وطول موجي واحد عبر الشقوق، سيحدث ما يلي:
- عندما تمر الموجة عبر الشقين، فإنها ستنقسم إلى موجتين جديدتين، وتنتشر كل منهما من أحد الشقين، وستتداخل معًا.
- عندما تلتقي قمة موجة، مع قاع الموجة الأخرى، فستلغي كل موجة الأخرى.
- عندما تلتقي القمة بالذروة للموجة الأخرى، فستعزز الموجتان بعضها البعض، وستعطي ضوءاً لامعاً.
- الإلكترونات: الآن قم بإطلاق إلكترونات على الشقوق في اللوح المعدني، قد تتخيل أن النتيجة ستكون مثل إطلاق الجزيئات، ولكن النتيجة كانت صادمة للعلماء، حيث إن الإلكترونات كررت نمط التداخل كما في موجات الضوء .
- مراقبة الإلكترونات: قام العلماء بإنشاء جهاز قياس لمراقبة الشق الذي يمر عبره الإلكترون عن كثب، ولكن النتيجة كانت أكثر صدمة، حيث تصرف الإلكترون مثل نمط الجسيمات أثناء مراقبته.
- النتيجة: تجمع الإلكترونات خصائص الجسيمات وخصائص الموجات، حيث ترك الإلكترون متحركًا كالجسيم، ثم انقسم ليتداخل مع نفسه كالموجة، ثم عاد للاصطدام على الحاجز مثل الجسيمات، وهذا ما يسمى بازدواجية جسيم الموجة لمكانيكا الكم .
معادلة يونج
- المعادلة الأولى: وهي المعادلة التي تتعلق بطول موجة الضوء، والمرتبطة بنمط تداخل الضوء من مصدر نقطتين، وفي يتم استخدام ضوء واحد بطول موجي واحد مثل الضوء الأصفر. وهي:
حيث λ: الطول الموجي للضوء .
d: قيمة مقاسة لمسافة فصل الشق.
l: المسافة من الشقوق إلى الشاشة.
y: المسافة من الحافة المركزية.
m: قيمة الطلب، وهي نقطة مضيئة معينة.
- المعادلة الثانية: وفيها يتم قياس الزاوية بدلًا من المسافات، تستخدم عند استخدام ضوء أبيض، فستنقسم الألوان المختلفة على شاشة العرض، وكل لون له طول موجي معين، فسيكون اللون البنفسجي أقرب للحافة المركزية لأن له أقصر طول موجي، والألوان الأخرى مرتبة وفقًا لأطوالها الموجي، وهذه المعادلة هي:
حيث تقاس الزاوية بين الحافة المركزية وأي طرف آخر.
