Tiene un experimento de doble rendija se hace uso de una pista de cámara o incluso se contempla?

Question

Traté de búsquedas y la cuestión se ha planteado en otros foros, pero no experimento se acercó.

Pista de cámaras (la nube de cámaras, de la burbuja de las cámaras , el tiempo de proyección de las cámaras, detectores de estado sólido como el vértice de los detectores en el LHC) dan la pista de la partícula como se ioniza el medio, y podría ser llevado a cabo en la geometría después de que la partícula ha pasado de la doble rendija. La recta de la pista debe estar apuntando hacia la rendija de vino y su registro puede ser utilizado como los puntos en la pantalla en el clásico experimento de doble rendija.

La puesta en marcha como yo lo veo, sería el clásico programa de instalación para un solo electrón a través de la doble ranuras pero en lugar de una "pantalla" uno tiene un detector detecta la pista. Debe ser lo suficientemente largo del detector para obtener una precisión inferior a la rendija de diferencia por lo que podría apuntar a la rendija, como el interslit distancia es del orden de 100 micras y detectores están dando orden de micras de precisión.

Este experimento, si es posible, se podría resolver la controversia de si la detección de la rendija destruye el patrón de interferencia o la detección de elementos en las ranuras de cambiar las condiciones de frontera y destruir el patrón de interferencia.

El dictamen de un experto es necesario si el experimento es posible, si las energías de los electrones para mostrar la interferencia con una separación d es suficiente para crear una precisa de la pista en un detector de estado sólido. Si no es una cámara de niebla iba a hacer , pero de nuevo la energía del electrón sería importante, ya que tendría que pasar la barrera de aire/de la cámara.

Podría tener éxito si el doble ranuras estaban dentro de una nube/ cámara de burbujas; la viga en el recuento de bajas (de 10 a doce por la imagen), pero fue difundido en la dirección vertical. Si el haz se podría centrar en las ranuras , debe ser factible.

Answer 1

Me gustaría ampliar mi anterior comentario en un pequeño ensayo sobre las graves dificultades prácticas en la realización de la propuesta de experimento.

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Yo voy a empezar mi afirmación de que no nos importa si el experimento es un "dos cortados" per se. Es suficiente con que es un difractivos dispersión experimento de algún tipo.

Sin embargo, podemos hacer acerca de tener cuidado

• espacial de la resolución lo suficientemente bueno como para distinguir que la dispersión de sitio (o hendidura) fue el uno en el camino de la supuesta partícula

• la capacidad para ejecutar el experimento a baja velocidad para que podamos excluir multi-proyectil o de la viga/viga de interacción como la fuente de toda interferencia que queremos observar. (Aunque va a resultar que nunca nos llegue lo suficientemente lejos para que esto importa...)

Ahora vamos a diseñar la bestia.

Para empezar debemos tener en cuenta para cualquier lectores casuales que los diagramas que ver en pop-sci tratamiento no son ni remotamente a escala: salón de clases típico kit de demostración para el uso con el láser tiene las ranuras que se encuentra a menos de $1\,\mathrm{mm}$ aparte y los usos de la proyección de las distancias de varios metros o más para obtener flecos que están separados por unos pocos centímetros. O, a continuación, utilizar mucho más cerca de establecer las ranuras para obtener grandes ángulos.

La separación angular entre maxima es el orden de $$ \Delta \theta = \frac{\lambda}{d} \,,$$ donde $\lambda$ es la longitud de onda y $d$ es la dispersión del sitio (o de hendidura) de separación. Lo que permite que la distancia a partir de la dispersión de la superficie a la superficie de proyección es $\ell$, el espacio de separación (en la aproximación de ángulo pequeño) $$ \Delta x = l \Delta \theta = \frac{\ell}{d} \lambda \,.$$

Anna ha sugerido hacer el experimento con electrones, lo que significa que estamos interesados en la longitud de onda de de Broglie dada generalmente por $\lambda = \hbar/p$, y la medición de su posición en la ruta con un detector de trazas de algún tipo.

El seguimiento del detector espacial, la resolución va a ser la gran barrera de aquí.

Vamos a comenzar considerando un Líquido, Argón TPC porque es una tecnología caliente justo ahora. Espacial y resolución acerca de la $1 \,\mathrm{mm}$ debe ser alcanzable sin ningún avance en la tecnología (típico de los dispositivos tienen $3$-$5\,\mathrm{mm}$ la resolución). Que pone el valor de $d$.

Ahora, para observar un patrón de interferencias, necesitamos una resolución del detector al menos cuatro veces más fino que el espacio de la resolución.

Asumir por el bien del argumento que voy a usar un detector con un $20 \,\mathrm{\mu{}m}$ espacial de la resolución. Tal vez un MCP o un silicon tracker. Que establece $\Delta x = 4(20 \,\mathrm{\mu{}m})$.

También asumo que necesito $\ell$ al menos $2d$ a ser capaz de seguir la partícula entre la dispersión y la proyección de los planos. Probablemente una subestimación, que así sea. Ahora puedo calcular las propiedades de la necesaria fuente de electrones $$\begin{align*} p &= \frac{\hbar}{\lambda} \\ &= \frac{\hbar\ell}{d \, \Delta x} \tag{1}\\ &= 2\frac{\hbar}{\Delta x}\\ &= \frac{7 \times 10^{-22} \,\mathrm{MeV \, s}}{40 \times 10^{-6} \,\mathrm{m}}\\ &= \frac{7 \times 10^{-22} \,\mathrm{MeV}}{7 \times 10^{-12} c} \\ &= 10^{-10} \,\mathrm{MeV/c}\\ &= 10^{-4} \,\mathrm{eV/c} \,, \end{align*}$$ cual es la forma segura de no-relativista, por lo que tenemos una energía del haz de $5 \times 10^{-9}\,\mathrm{eV^2}/(m_e c^2)$, y el seguimiento medio completamente estropear el experimento.

Por la elección de un $20\,\mathrm{m}$ trayectoria de vuelo entre la dispersión y la detección y bajando a, digamos, el $10\,\mathrm{\mu{}m}$ de la escala de $d$ podemos obtener de la viga momenta a a $10^3\,\mathrm{eV}$ a que a no sea que nos da energías del haz sobre la $1\,\mathrm{eV}$. Pero ¿cómo se va a realizar el seguimiento de un $1\,\mathrm{eV}$ electrón sin dispersión?

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Estoy seguro de que usted puede conseguir un mejor espacio de resolución de silicio, pero no creo que usted puede conseguir el haz de energía lo suficientemente alto para pasar una gran distancia suficiente a través del seguimiento medio para hacer realidad la medición.

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El problema fundamental aquí es la tensión entre el deseo de seguir el electrón en la ruta que te obliga a usar casi humanos de las escalas para las partes del detector y la presencia de ese molesto $\hbar$ en el numerador de la ecuación (1) que está impulsando la necesaria haz impulso hacia abajo.

El método habitual de conseguir efectos difractivos es sólo para hacer de $d$ pequeñas y $\ell$ lo suficientemente grande como para compensar la $\hbar$ pero nuestro deseo para el seguimiento de las partículas trabaja contra nosotros por poner un piso en nuestro attemtps para reducir $d$ y porque ya no las rutas de vuelo significa más sensibilidad a la dispersión por el seguimiento medio.

Answer 2

El patrón de interferencia proviene de el calculo de la función de onda diferencia de fase en una posición específica del detector. Cada interacción de una partícula a lo largo de sus rutas de acceso (si son reales/colapsado o virtual/calculado) sería al azar traer una diferencia de fase para el calculo de la función de onda, por lo tanto su coherencia sería rápidamente destruidos como la partícula se propaga a través de la cámara. Pero, parece que otro efecto es mucho más dominante en este caso.

Con el fin de observar los patrones de interferencia hasta un rango micrométrico en el detector, uno tiene que usar lenta, no-relativista partículas. E. g. la velocidad de un electrón que se han asociado de la longitud de onda de de Broglie de $1\ \mu m$ tiene que ser

$\qquad v = \frac h {m_{electron} \lambda} \simeq \frac {10^{-34}\ Js} {10^{-30}\ kg\ \cdot\ 10^{-6}\ m} = 10^2\ m/s\ .$

La energía cinética de un altamente no-relativista del electrón es

$\qquad E_k = \frac {m_{electron} v^2} 2 \simeq 10^{-30}\ kg \cdot 10^4\ m^2/s^2 = 10^{-26}\ J \simeq 10^{-7} eV,$

que está por debajo de la energía de una interacción con un objeto en la cámara (vamos a decir $1\ meV$), por lo que el electrón se comporte como una bola de billar (es decir, el de la clásica) en esta interacción completamente cambiando su dirección, por no hablar de su función de onda de fase antes de llegar al detector. Este razonamiento se mantiene incluso si extendemos la resolución del detector a $10\ nm$, cuando la electrónica de la velocidad y la energía cinética se $100$ $10\ 000$ veces mayor, respectivamente.

Comentario: esta es una respuesta de un graduado aficionado, no un experto.

Answer 3

Una realizada en 1940 experimento contradice los cálculos anteriores. H. Boersch obtener la deflexión de 34 ekV-los electrones en un borde. La dimensión lateral de la viga fue de 140 Å, la distancia al borde de 0,35 mm y la distancia a la observación de la pantalla fue de 330 mm y la distancia entre máximos de alrededor de 20 µm.

Fuente: Die Naturwissenschaften, Peso 44/45 1940 Urheber H. Boersch

Escribí acerca de la difracción de electrones en este no publicadas en papel (en alemán), Ya que para soldadura por haz de electrones necesitamos un vacío para evitar la disipación de la viga, no parece muy factible para obtener resultados en una cámara de burbujas.

Answer 4

Hay varias imágenes en internet de la doble rendija experimento con electrones. Algunos de ellos son muy equivocado porque muestran que los electrones pasan a través de las rendijas como puntos. Ellos no son los puntos, porque el electrón del campo es lo que es. Es la teoría del campo cuántico, no quantum punto-teoría de la partícula. Y ese campo no se detiene micras del centro de la electrónica, más de lo que un huracán se detiene a un kilómetro del centro del ojo. No creo que el electrón es pointlike porque aparece un punto en la pantalla. No creo que un huracán es pointlike porque sólo se puede ver el ojo.

Así que, ¿qué veríamos si combinamos la doble rendija experimento con una cámara de niebla? En mi humilde opinión se debe pensar en la parte frontal de la cámara de niebla como la pantalla. Ver puntos. Cada punto se extiende hacia atrás en una pista. Y en estas pistas apuntan hacia el origen. No se a que un corte o el otro, porque el electrón fue a través de ambas rendijas. Algo como esto:

Sin embargo, si pones un detector en una de las ranuras, me atrevo a predecir que usted podría encontrar que las pistas no apuntan hacia la fuente, pero en lugar de apuntar hacia esa rendija. Digo esto porque en mi humilde opinión, el acto de detección realiza algo parecido a una óptica de Fourier sobre el electrón, y la convierte en algo pointlike que va a través de esa rendija sólo.

_{Imagen cortesía de Stephen Lehar, ver Una Explicación Intuitiva de la Teoría de Fourier}

Pero, por supuesto, la prueba está en el pudín. Me gustaría ver este experimento llevado a cabo.

Answer 5

Como los comentarios que se han dicho, no se puede hacer este experimento, debido a que (1) la partícula es wavelike al pasar a través de las rendijas, y (2) el camino de nubes sólo ocurre porque una partícula wavefunc "colapsa" en el momento en que interactúa con la basura en la cámara de niebla que hace que la ruta de acceso a aparecer en el primer lugar.

Usted podría preguntarse cómo medir la posición de un electrón, ya que deja un pozo cuántico y pasa a través de una zona prohibida, sólo para volver a aparecer en el otro lado. Ver "Quantum Túnel."