Interferencja. Ciekawe obserwacje.

Notka ta nie wyjaśnia zjawiska interferencji jedynie przedstawia moje obserwacje, które według mnie mogą stanowić wskazówki dla pełnego zrozumienia tego zjawiska.

Wszystkie tutaj przedstawione obserwacje odbyły się w warunkach domowych a pomiary odczytałem własnym wzrokiem (noszę okulary) na taśmie budowlanej lub własnoręcznie zrobionej skali na kartce papieru.

Celem obserwacji jest lepsze zapoznanie się z tym zjawiskiem.

Spróbuje tutaj zweryfikować trzy pomysły mogące tłumaczyć zjawisko interferencji: kwantową, Gryzińskiego i swoją.

W kwantowej wizji widzę następujące słabości:

- Obraz powstaje punktowo i jak do tej pory nie potwierdzono eksperymentalnie by jakakolwiek cząstka była jednocześnie w dwóch szczelinach.

- Nie istnieje wzmocnienie czy wygaszanie długości fali, są jedynie miejsca o większym i mniejszym natężeniu fotonów które nie zmieniają swoich parametrów. Żaden z fotonów w obrazie nie zmniejsza ani nie zwiększa swojej długości fali.

- Przy większej ilości szczelin, obraz nie ulega większej zmianie. Jest on niezgodny z interferencją fali mechanicznej na większej ilości szczelin.

- Zasłonięcie obrazu interferencyjnego powoduje rzucanie klasycznego cienia z ostrymi krawędziami (wyjątkiem jest bliskie przysłanianie, o tym w dalszej części bloga)

- Interferencja powstaje jedynie przy szczelinach i odbiciu. Fotony w próżni są dla siebie niewidoczne. Przenikają przez siebie i nie zaobserwowano efektu wygaszania, wzmacniania fali elektromagnetycznej w locie. Fotony potrafią przebyć wiele miliardów lat świetlnych w linii prostej i jedynie grawitacja zakrzywia jej tor lotu.

Nasuwa się za tym oczywiste pytanie, czym różni się foton swobodny od fotonu po przejściach przez szczelinę? Czy szczelina, odbicie zmienia na chwilę własności fotonów?

Czym jest więc foton? Dla mnie jest to obiekt fizyczny posiadający swoją energie, prędkość oraz bardzo ważne miejsce w przestrzeni i kształt (w stanie swobodnym jest to długość i wysokość fali z charakterystyką jej przemieszczania się). Pytanie jest jaki ma kształt przy odbiciu i w szczelinie?

Czym Foton różni się od materii? Zawsze przemieszcza się ze stałą prędkością, nie można go zwolnić ani zatrzymać oraz może być przez materie wchłonięty lub wygenerowany.

Do zweryfikowania mam trzy koncepcje:

Kwantową – foton przy spotkaniu szczeliny zmienia swoje własności ze ściśle określonego kształtu ze ściśle określonymi współrzędnymi, na własność fali prawdopodobieństwa (Jest on w tej fali i jednocześnie nie ma go w żadnym konkretnym miejscu ale po spotkaniu z przeszkodą nagle cała jego energia skupia się w konkretnym punkcie).

Gryzińskiego – szczelina jest segregatorem fazowym. Tylko fotonom o określonej fazie udaje się przejść przez szczeliny. Następnie specyficzny układ ładunków na szczelinach powoduje charakterystyczne zakrzywienie toru lotu fotonu. Powiem strzeże że interferencja Gryzińskiego jest dla mnie za trudna i nie umiem w pełni zrozumieć skąd prążki ale wzory się zgadzają i odwzorowują obraz interferencyjny co najmniej tak dobrze jak wzory kwantowe.

Moje koncepcje- foton odbija się wielokrotnie wewnątrz szczeliny (obecnie uważam ją za bardzo mało prawdopodobną).

Fotony po przejściu przez szczeliny ma inne własności i jego tor lotu nie przebiega po linii prostej (koncepcja upadła po obserwacjach które przedstawię poniżej).

Teraz przejdę do opisu moich obserwacji.

W czasie swoich obserwacji ciekawy byłem jakiej szerokości są moje szczeliny? Jak to zmierzyć? Ponieważ wszystkie pomysły zawiodły w kroku rozpaczy puściłem wiązkę lasera na klisze ze szczeliną i przyłożyłem miarę najbliżej jak mogłem by jeszcze móc dostrzec obraz za szczeliną. I jak wielkie było moje zaskoczenie gdy dostrzegłem pojedynczy prążek na pojedynczej szczelinie, dwa prążki na podwójnej szczelinie i trzy na potrójnej. Prążki mają niecały minimetr i oddalone są od siebie o około 1mm. Niestety jaskrawość prążka jest duża co uniemożliwia mi zrobienia zdjęcia. Po oddaleniu metra nieco dalej przez chwile prążki pozostawały niezmienione a obraz interferencyjny zaczął się pokazywać dopiero po kilku centymetrach. Stąd też koncepcja że fotony tuż za szczeliną zaczynają się odpychać. Mój test pokazał jednak że jest to tylko złudzenie (o tym za chwilę). Mimo to jest to ważna informacja.

Jako ciekawostkę podam że patrząc przez szczeliny z bliska można bez większych problemów odczytać tekst po drugiej stronie. Tuż przy szczelinie obraz się nie zamazuje. Nie ma możliwości o jakiejś losowości drogi fotonów.

Długi też czas nie umiałem zaobserwować interferencji. Moje przysłanianie obrazu interferencyjnego rzucało klasyczny cień. Zupełnie jakby obraz powstawał w szczelinie. Niestety ludzki umysł ma swoje wady. Zawsze sobie powtarzam „nie mów że się nie da póki nie spróbujesz” i wkręciłem sobie że w warunkach domowych nie da się zasłonić jednej ze szczelin z odpowiednią precyzją. Mimo to pewnego dnia wziąłem kartkę papieru i starałem się przysłonić jedną ze szczelin. Ku mojemu zaskoczeniu obraz interferencyjny zamienił się w dyfrakcyjny. Wcześniej wielokrotnie próbowałem przysłaniać obraz interferencyjny i uzyskiwałem klasyczny cień a tu taka niespodzianka. Tą samą kartką papieru zasłoniłem obraz w znacznej odległości i znów cień klasyczny z ostrą krawędzią. Więc przysłoniłem obraz w połowie drogi i okazało się że krawędź obrazu w takim przypadku była rozmyta. Przysłoniłem więc obraz w niedużej odległości od szczeliny i w tym przypadku część obrazu interferencyjnego zmieniła się na dyfrakcyjny a część pozostała bez zmian.

Po wielu próbach stwierdziłem że przysłanianie wiązki w niedużych odległościach od szczeliny powoduje częściowy zanik interferencji. Obszar zaniku jest w jakiejś proporcji do odległości przysłony od szczeliny. Gdyby Gryziński znał ten eksperyment to zapewne potrafiłby uzupełnić swój model o efekt zanikania obrazu interferencyjnego przy zastosowaniu przysłon ale o tym na końcu.

interferencja bez przesłony

Przysłonienie jednej szczeliny w bliskiej odległości. Obraz interferencyjny rozmywa się w dyfrakcyjny. Widać rozmyte prążki.

Przysłonienie jednej szczeliny w dalszej odległości. Obraz przy krawędzi się rozmywa na pozostałej części widać prążki.

Mój pierwszy wniosek: nakładanie się obrazów ze szczelin powoduje wygaszanie i wzmacnianie obrazu. Gdy stosujemy przeszkodę, zasłania ona obraz z jednej szczeliny bardziej niż z drugiej. W miejscu gdzie nakładają się obrazy widzimy efekt interferencji a w miejscu gdzie jedna wiązka jest zasłonięta powstaje obraz dyfrakcyjny.

Intuicja intuicją a rzeczywistość rzeczywistością. Wykorzystując problemy zdrowotne znalazłem w końcu trochę czasu i ciszy by dokonać pewnych pomiarów które w mojej opinii mogą sporo wyjaśnić.

W pierwszej kolejności ustawiłem nieruchomo laser i pojedynczą strzelaninę i dokonywałem pomiaru obrazu wraz ze wzrostem odległości. Przy pomiarze na krótkich odległościach użycie taśmy budowlanej czy linijki powodowało problem z odczytem, intensywność obrazu była z byt duża i nie potrafiłem w miarę precyzyjnie odczytać jego rozmiaru. Zrobiłem więc skale na kartce papieru na której obraz był o wiele bardziej wyraźniejszy. Gdy mierzony obraz był już wielkości 3 cm wracałem do pomiaru na taśmie budowlanej gdyż obawiałem się że własnoręcznie narysowana skala nie będzie już wystarczająco dokładna. Nie robiłem wcześniejszych wyliczeń by nie sugerować się wynikami.

Oto moje obserwacje:

Średnicę plamki lasera zmierzyłem na 4mm.

Wysokość prążka tuż za szczeliną zmierzyłem na 6mm. Patrząc przez okulary widzę cienką linie wzdłuż prążka. Bez okularów linia bardzo słabo widoczna możliwe że powstaje ona przy przejściu przez szkło okulara i soczewkę oka.

Ponieważ foton powinien się poruszać w linii prostej, dlatego podzieliłem końcowy odczyt na jednym metrze przez 1000, wyniku czego dostałem teoretyczny przyrost na 1mm. Szerokość całego obrazu powinien przyrastać w tempie 0,112mm na każde oddalenie ekranu o 1mm. Dla plamki centralnej jest to 0,022mm a dla pierwszej plamki bocznej 0,01mm.

Na odczytach od 4cm do 1m są dwa błędy nieco większe od 2mm i jeden błąd o 1,4mm. W pozostałych 24 odczytach błąd nie przekracza 0,5 mm. Zważywszy że pomiar robiłem w warunkach domowych, to jestem zadowolony z tak małej różnicy między założeniami a wynikami.

Przy odczycie pomiędzy 0 a 3cm występują pewne rozbieżności ale spodziewałem się ich. Są one zapewne spowodowane ograniczeniami ludzkiego wzroku. Natężenie plamki jest duże a różnice minimalne. Pisałem o tym że przy pomiarze w tym zakresie za pomocą taśmy budowlanej nie byłem w stanie odczytać wymiaru gdyż obraz mienił mi się w oczach.

Bynajmniej moja koncepcja jakoby fotony po przejściu przez szczelinę zyskiwały własność odpychania się upadła. Nakreślając linie przez punkty końcowe prowadzi nas ona dokładnie do szczeliny. Wyniki nie są sprzeczne z model kwantowy jak i Gryzińskiego.

Drugi pomiar robiłem w następujący sposób. Ustawiłem podwójna szczelinę w odległości 1m od ekranu i puściłem na nią wiązkę lasera. Następnie zasłaniałem w różnych odległościach część obrazu interferencyjnego przesłoną z karty bankomatowej i mierzyłem na jakim obszarze zanikały prążki interferencyjne.

Oto wyniki

Dlaczego użyłem karty bankomatowej? W pierwszej chwili chciałem użyć kartki papieru jednak okazało się że laser przebijał na drugą stronę. Obawiałem się że część fotonów które przedarły się przez barierę mogą zakłócić wyniki. Dlatego też spróbowałem użyć tekturki jednak efekt był podobny. Karta bankomatowa okazała się bardziej odpowiednia. Przy okazji obserwowałem zachowanie się przysłanianej plamki i nie stwierdziłem większych różnic przy zasłanianiu jej różnymi płaskimi przeszkodami. Obserwacja plamki dawanej przez zasłanianą wiązkę daje nam kolejne wskazówki. Przy powolnym zasłanianiu na 1 metr przed ekranem zaczyna pojawiać się następujący obraz.

Przy czym fragment o największym natężeniu spłaszcza się i powoli przesuwa o około 4mm w prawo przy zasłonięciu od lewej. Ewidentnie przysłona zakrzywia ruch większości fotonów. Efekt ten choć się o nim nie uczy jest znany inżynierom budowlanym oraz wykwalifikowanym budowlańcom którzy używają poziomic laserowych. Można to łatwo potwierdzić ustawiając na sztywno laser poziomujący i czujnik odczytujący poziom w znacznej odległości. Powoli zasłaniając od dołu wiązkę lasera nieruchomy czujnik zaczyna wariować i podawać różne wartości.

Należy teraz zadać pytanie czy wpływ ma na to masa czy może ładunki?

Kiedyś zaplanowałem następujący eksperyment na który zabrakło czasu i środków. Montujemy sztywno i nieruchomo wiązkę lasera. Następnie w jakiejś odległości montujemy sztywno odbiornik laserowy na którym można odczytać pozycje lasera (używany w budownictwie do poziomowania stropów). Sprawdzamy następnie czy nie ma jakiś drgań i odczyt jest stabilny. Następnie przysłaniamy wiązkę lasera w pewnej odległości i odczytujemy odchylenia.

Za przysłony chciałem użyć jednakowe trójkąty z papieru pusty w środku, plastikowy pusty w środku, z drewna jeden pusty drugi pełny, z blachy jeden pusty drugi wypełniony dużą masą. Eksperyment miałby wyjaśnić czy za załamanie drogi światła odpowiedzialny jest kształt, masa czy ładunki.

Do tej pory w mojej świadomości było przekonanie że to ciężkie przedmioty załamują wiązkę. Jednak obserwując załamanie jakie wywiera cienka kartka papieru uświadomiłem sobie czego brakuje u Gryzińskiego. Dla niego szczelina to nie jest prosta linia a specyficzne rozłożenie ładunków.

Ładunki te zakrzywiają tor lotu fotonu tuż za szczeliną tam też tworzy się obraz interferencyjny. Tuż za szczeliną obraz ten skupia się na niewielkim obszarze i oddalając się od szczeliny stopniowo rozchodzi się na boki.

Krawędź zasłony ma taki sam rozkład ładunków jak krawędź szczeliny. Przykładając tą krawędź w bliskiej odległości od szczeliny tor lotu fotonów przy krawędzi zostaje zakłócony ponownie, obraz się rozmywa dając wrażenie dyfrakcyjnego. Krawędź zakrzywia tor lotu jedynie fotonów przelatujących w niedużej odległości od niej, Dlatego oddalając przysłonę od szczeliny oddziałuje ona na coraz to mniejszą ilość fotonów zakłócając jedynie część obrazu interferencyjnego. Model taki jest w pełni zgodny z fizyką klasyczną. Jednak przedstawione tu obserwacje nie negują jeszcze kwantowych modeli. Sprawa zostaje nadal otwarta i wymaga dalszych bardziej zaawansowanych testów.

Bynajmniej posiadam kolejną klasyczną alternatywę do wyjaśnienia zjawisk kwantowych.

Zobacz galerię zdjęć: