To lysbølgefronter interfererer.
I 1801 utførte Thomas Young et eksperiment som demonstrerte bølgenaturen til lys, og som mange har gjentatt i fysikkundervisningen på skolen. Han lyste en ensfraget, koherent lysstråle på en plate med to smale åpninger, og observerte mønsteret på en skjerm på den andre siden. På skjermen fikk han et mønster av lyse og mørke områder, noe som i dag er kjent som et interferensmønster. De lyse stripene kommer der lyset fra begge de to spaltene har en "topp" i bølgen, mens de mørke kommer der lyset fra den ene har en bunn og den andre en topp - de utsletter hverandre. Mellomrommene mellom de lyse strekene avhenger av bølgelengden til lyset, altså fargen, og av avstanden mellom de to spaltene. Et slikt interferensmønster er noe bare bølger kan skape, og er derfor selve kjennetegnet på lysets bølgenatur. Man kan se liknende interfernsmønstre i alle slags bølger, også i havbølger når disse passerer øyer i skjærgården.
Senere har man gjentatt eksperimentet med andre typer bølger, og på åttitallet gjentok man det med elektroner. Kvantefysikken forteller oss nemlig at alle fysiske objekter kan ha en bølgenatur - men for store ting er bølgelengden til disse mye, mye mindre enn selve objektet. For alle dagligdagse objekter er denne bølgelengden så liten at den har ingen praktisk betydning, men for svært små objekter stiller det seg annerledes. Man kan foreta dobbeltspalteeksperimentet med elektroner, men da med spalteåpninger på størrelse med enkeltatomer, og man vil få det karakteristiske interferensmønsteret, noe som viser at selv partikler som elektroner har en bølgenatur og kan interferere med hverandre. Vi er jo vant til å tenke på elektroner som partikler, men dette eksperimentet beviser at elektronene også kan opptre som bølger.
Mye mer mystisk blir det hvis vi prøver å finne ut hva som skjer ved å sende ett og ett elektron gjennom spaltene. Da vil hvert elektron gi en prikk på skjermen, men etter mange elektroner, vi man se interferensmønsteret tre fram som på blidet! Den eneste forklaringen på dette er at hvert elektron passerer gjennom begge spaltene samtidig, og deretter interfererer "med seg selv" og skaper mønsteret. Men når elektronet treffer bakveggen vises bare en prikk fordi vi da "måler" elektronets posisjon, og et elektron kan bare være ett bestemt sted når vi måler det. Mystisk? Javisst. Men det blir enda litt verre. Hvis vi prøver å måle hvilken av de to spaltene elektronet passerer gjennom, vil interferensmønsteret forsvinne, og vi får bare to streker på baksiden, akkurat som man ville forvente av vanlige partikler. Dette er fordi den målingen vi gjør sikrer at elektroner bare passerer gjennom en av spaltene, og dermed ikke kan skape noe interferensmønster.
Hvis du synes dette er merkelig, er du ikke alene. Det amerikanske fysikkinstituttet har kåret dette eksperimentet til tidenes vakreste eksperiment i fysikk fordi det på en enkel måte demonstrerer mye av det som er merkelig med kvantemekanikken. Det som skjer når vi beveger oss ned på et nivå der ting er veldig små, er mystisk og har forundret oss i nærmere 100 år nå.
Stein Olav Skrøvseth Stipendiat, Institutt for fysikk, NTNU.