W a v e s a n d P r o b a b i l i t i e s
Courtesy of Elsevier, Inc., https://www.sciencedirect.com. Used with permission.
8 .2 2 5 / S T S .0 4 2 , P h y s ic s in t h e 2 0 t h C e n t u r y P r o f e s s o r D a v id K a is e r , 1 3 O c t o b e r 2 0 2 0
1. S c h r ö di n g e r a n d W a v e M e c h a n i c s
2. B o r n ’ s I n t e r p r e t a t i o n a n d t h e Do u b l e - Sl i t E x peri m ent *
3. S l i t D e t e c t o r ?*
* S e e o p t i o n a l Le c t u r e N o t e s on t he d ou bl e - sl i t e xp e r i m e n t
Ma t r i x Me c h a n i c s R e c a p
In spr i ng 1 9 2 5 , We r n e r H e i s e n b e r g in t r o d u c e d a n e w , f ir s t - pr i nc i pl e s ap p r o ac h t o q u an t u m t h e o r y . R at h e r t h an b e g i n n i n g w i t h c l as s i c al co n ce p t s a n d ex p r es s i o n s — su c h a s f o r t h e o r b i t o f a n e l e c t r o n i n a n at o m — He i s e n b e r g a r g u e d t h a t o n e s h o u l d f o c u s o n l y o n ob s e r v a b l e fe a t u r e s , s u c h a s t h e p r o p e r t i e s o f s p e c t r a l l i n e s .
He r e a s o n e d t h a t s i n c e t h e fr e q u e n c i e s of s pe c t r a l l i ne s obe y e d a la w o f addi ti o n , t h e am pl i tu de s of t he c or r e s pond i ng s pe c t r a l l i ne s sh o u l d mu l t i p l y . B u t t h e n h e f o u n d t h a t t h e ou t c om e de p en ded o n th e or d e r of m u l t i p l i c a t i on . M a x B o r n c l a r i f i e d : t h e s e a r e ma t r i c e s !
Is l a n d o f H e l i g o l a n d, o ff th e co a s t o f Den ma r k
He i s e n b e r g , “ O n t h e q u a n t u m - th e o r e ti c a l re i n t e r p re t a t i o n o f k i n e m a t i c a n d
mec h a n i ca l r el a t i o n s h i p s , ” 1 9 2 5
Images are in the public domain.
In spr i ng 1 9 2 7 , a m i d e m ot i ona l d e ba t e s w i t h N i e l s B ohr , He i s e n b e r g d e r i v e d a c o n s e q u e n c e o f h i s n o n - co m m u t i n g m a t r i ces : th e unc e r t a i nt y p r i nc i p l e .
Sc h r ö di n g er a n d W a v e M ec h a n i cs
Du r i n g t h e w i n t e r a n d s p r i n g o f 1 9 2 6 — be g i nni ng j u s t s i x mo n t h s a f t e r He i s e n b e r g ’ s f i r s t p a p e r o n ma t r i x me c h a n i c s — Er w i n S c h r ö d i n g e r in t r o d u c e d a di f f e r e n t fi r s t - pr i nc i pl e s a ppr oa c h t o qua n t um t h e o r y . W h e r e a s H e i s e n b e r g h a d b ui l t up o n i d e a s a b o ut di s c r e te n e s s fr o m am o n g t h e h o d g e - pod g e of “ ol d q u a nt u m t he or y , ” Sc h r ö d i n g e r p i c k e d up o n t h e i d e a o f d e B r o g l i e ’ s ma t t e r w a v e s .
Sc h r ö d i n g e r — or i g i na l l y f r om V i e nna a nd a t t he t i m e t e a c hi ng in Z ü r ic h — wa s a g e n e r a t i o n o l d e r t h a n H e i s e n b e r g a n d P a u l i ; h e ha d a l r e a d y pu bl i s he d ma n y re s e a rc h a r t i c l e s . H i s a p p ro a c h w a s t o re t a i n as m u c h o f t h e “ l o o k an d fe e l ” o f t i m e - te s te d p h y s i c s a s h e co u l d.
Sc hr öd i ng e r , “Qu a nt i z a t i on a s a n
Ei g e n v a l u e P r obl e m, ” 1 9 2 6 co n s t r u ct i v e i n t er f er en ce de s tr u c ti v e i n te r fe r e n c e
Sc h r ö di n g er a n d W a v e M ec h a n i cs
Sc h r ö d i n g e r b e g a n w i t h t h e us ua l e x p r e s s i o n f o r e n e r g y :
De Br o g l i e h a d s u g g e s t e d t h a t ma t t e r w a v e s we r e c r u c i a l . S o Sc h r ö d i n g e r c o n s i d e r e d t h e us ua l e qua t i o n f o r a s t a n d i n g w a v e :
De Br o g l i e h a d i d e n t i f i e d a wa v e l e n g t h fo r m at t e r :
Sc hr öd i ng e r , “Qu a nt i z a t i on a s a n Ei g e n v a l u e P r obl e m, ” 1 9 2 6
new “ q u a nt u m oper a t or ” :
ℏ bu i l t i n f r o m t h e s t ar t .
Sc h r ö di n g er a n d W a v e M ec h a n i cs
Sc h r ö d i n g e r w a v e eq u a t i o n :
Al l c o n t i n u u m ! No “ s p e c i a l s t a t e s ” o r o r b i t s w i t h d i s c r e t e pos i t i ons ( a s i n B ohr ’ s m od e l ) . P l u s , t he m a t he m a t i c s w a s fa m i li a r to p h y s i c i s ts : d i f f e r e n ti a l e q u a ti o n s r a th e r th a n a b s tr a c t m a tr i c e s .
Fi r s t b i g t e s t : s u b s t i t u t e . T h e n s o l u t i o n s t o Sc h r ö d i n g e r ’ s e qua t i o n c o r r e s p o n d t o
n = 1 , 2 , 3 , . . .
Sc hr öd i ng e r , “Qu a nt i z a t i on a s a n Ei g e n v a l u e P r obl e m, ” 1 9 2 6
Ex a ct l y t h e s a m e s p ect r u m a s t h e B o h r m o d el , s o i t r e p r o d u ces th e B a l m e r s p e c tr u m !
Sc h r ö di n g er a n d W a v e M ec h a n i cs
An a l o g o u s t o o n e - di m en s i o n a l s t a n di n g w a v es o n a s t r i n g :
L
di s c r e t e al l o w ab l e w a v e n u m b e r s ,
or “ ei g en v a l u es ”
appl y bo u n dar y c o n di t i o n s
Sc hr öd i ng e r , “Qu a nt i z a t i on a s a n Ei g e n v a l u e P r obl e m, ” 1 9 2 6
Fo r t h e H y d r o g e n at o m , ap p l y t h e bou nd a r y cond i t i ons :
Sc h r ö di n g er a n d W a v e M ec h a n i cs
2
1
1
2
3
4
5
6
7
- 1
- 2
So l ut i o n s to S c h r ö d i n g e r ’ s w a v e e q u a ti o n o b e y e d su p er p o si t i o n : if 1 ( t , x ) we r e a s o l u t i o n a n d 2 ( t , x ) we r e a s o l u t i o n , t h e n
3 ( t , x ) = 1 ( t , x ) + 2 ( t , x ) wa s al s o a s o l u t i o n .
Th a t m e a n t t h a t S c h r ö d i n g e r ’ s w a v e f u n c t i o n s co u l d u n der g o
co n s t r u ct i v e an d de s tr u c ti v e in t e r f e r e n c e .
So ha d d e f i ni t e w a v e l i k e pr ope r t i e s . B u t wh a t wa s ? A
co n s t r u ct i v e
2 in t e r f e r e n c e
1
1 2 3 4 5 6 7
wa v e o f wh a t ?
Ev en m o r e b i z a r r e: i f o n e co n s i d er ed a s ys t em w i t h tw o el ect r o n s , V → V ( x 1 , y 1 , z 1 , x 2 , y 2 , z 2 ) . S o t h e n wo u l d b e a wa v e i n s o m e si x - di m e n s i o n al s pac e ! Cl e a r l y wa s n o t j u s t l i k e a
wa t e r wa v e. . .
- 1 de s tr u c ti v e
in t e r f e r e n c e
- 2
A N e w Q u a n t u m M e c h a n i c s
Sc h r ö d i n g e r a n d H e i s e n b e r g h a d s t r o n g f e e l i n g s a b o ut e a c h o t h e r ’ s w o r k .
Sc hr ö d i n g e r , 1 9 2 6 : “ M y t h e o r y w a s i n s p i r e d b y L . d e B r o g l i e ... an d b y s h o r t b y i n c o m p l e t e r e m ar k s b y A . E i n s t e i n . . . . N o ge n e t i c r e l a t i o n w h a t e v e r w i t h H e i s e n b e r g i s k n o w n t o m e . I kn e w o f h i s t h e o r y , o f c o u r s e , b u t f e l t di s c o u r age d , n o t t o s a y
re p e l l e d , b y t h e m e t h o d s o f t r a n s c e n d e n t a l a l g e b r a [ m a t r i c e s ] , wh i c h a p p e a r e d v e r y d i f f i c u l t t o m e a n d b y t h e l a c k o f vi s u a l i z a b i l i t y . ”
He i s e n b e r g to Pa u l i , 1 9 2 6 : “ T h e m o r e I r e f l e c t on t he ph y si c a l por t i on of Sc h r ö d i n g e r ’ s t h e o r y t h e m o r e di s gu s ti n g I f i nd i t . . . . W ha t S c hr öd i ng e r wr i t e s o n t h e v i s u a l i z a b i l i t y o f h i s th e o r y . . . I c o n s i d e r tr as h .”
So i t w a s a l l t h e m o r e s ur p r i s i n g w h e n s e v e r a l p h y s i c i s t s ( Sc hr ö d i n g e r hi m s e l f , Pa s c u a l J o r d a n , a n d Pa u l D i r a c ) d e m o n s tr a te d l a te r i n 1 9 2 6 th a t H e i s e n b e r g ’ s ma t r i x me c h a n i c s a n d S c h r ö d i n g e r ’ s w a v e me c h a n i c s w e r e ma t h e ma t i c a l l y eq u i v a l en t .
By t h e e n d o f 1 9 2 6 , p h y s i c i s t s b e g a n t o r e f e r t o a n e w “ qua nt um m e c h a ni c s .”
Qu e s t i o n s ?
Th e D o u b l e - Sl i t E xp er i m en t
Th e do u b l e - sl i t ex p er i m en t is o n e o f t h e m o s t c e le b r a t e d e x p e r im e n t s in mo d e r n p h y s i c s .
He i s e n b e r g le c t u r e d o n it in 1 9 2 9 ; Sc hr ö d i n g e r in 1 9 3 6 .
Ni e l s B o h r fe at u r e d i t i n h i s d i s c u s s i o n o f h i s l o n g d e b at e w i t h Al b e r t Ei n s t e i n ov e r q u a n t u m t h e o r y ( 1 9 4 9 ) .
Ri c h a r d F e y n ma n decl a r ed t h a t i t “ h a s i n i t t h e he a r t of q u a nt u m me c h a n i c s ” ( 1 9 6 2 ) .
Re a d e r s o f Ph y si c s W o r l d ma g a z i n e v o t e d i t t h e # 1 a l l - ti m e s i n gl e m o s t be a u t i f u l e x pe r i m e nt i n a l l of ph y s i c s ( 2 0 0 2 ) !
Ni el s B o h r , “Di s cu s s i o n s w i t h Ei n s t ei n o n Epi s t e mol ogi c a l P r obl e ms i n A t omi c Ph ys i cs ” ( 1 9 4 9 )
Courtesy of Elsevier, Inc., https://www.sciencedirect.com. Used with permission.
* S e e o p t i o n a l Le c t u r e N o t e s on t he d ou bl e - sl i t e xp e r i m e n t
Th e D o u b l e - Sl i t E xp er i m en t
Ca s e 1 : C l a s s i c a l P a r t i c l e s
Fi r e bu l l e t s one a t a t i m e a t a bu l l e t - pr oof w a l l t ha t c ont a i ns t w o na r r o w s l i t s , A an d B .
Th e n c o u n t t h e n u m b e r o f b u l l e t s t h a t a r r i v e a t t h e b a c k - st o p a s a fu n c t i o n o f p o si t i o n a l o n g th e b a c k - st o p .
Th e D o u b l e - Sl i t E xp er i m en t
sl i t A open, s l i t B cl os ed
sl i t A cl os ed , s l i t B open
Ca s e 1 : C l a s s i c a l P a r t i c l e s
sl i t s A an d B open
Th e c o u n t s o f b u l l e t s p e r l o c a t i o n y i e l d pr o babi l i ty di s tr i bu ti o n s . F o r c l a s s i c a l p a r t i c l e s , t h e p r o b a b i l i t i e s f o r in d e p e n d e n t e v e n t s add .
Th e D o u b l e - Sl i t E xp er i m en t
Ca s e 2 : C l a s s i c a l W a v e s
wa t e r wa v e
pr oj e c t i on of s l i t A
A
B
pr oj e c t i on of s l i t B
re e f sh o r e
Courtesy of Elsevier, Inc., https://www.sciencedirect.com. Used with permission.
A w a t e r w a v e a p p r o a c h i n g t h e s h o r e e n c o u n t e r s a r e e f w i t h t w o n a r r o w s l i t s i n i t , A
an d B . M e a s u r e t h e i n t e n s i t y o f t h e w a v e a l o n g t h e s h o r e a s a f u n c t i o n o f p o s i t i o n .
Th e D o u b l e - Sl i t E xp er i m en t
sl i t A open, s l i t B cl os ed
sl i t A cl os ed , s l i t B open
Ca s e 2 : C l a s s i c a l W a v e s
pea k i nt ens i t y
occu r s be t w e e n
A an d B
sl i t s A an d B open
Th e i n t e n s i t y o f t h e w a v e g o e s a s t h e abs o l u te s q u ar e of th e a m p l i tu d e . B e c a u s e o f su p er p o si t i o n , t h e r e s u l t i n g wa v e s h o w s a c h a r a c t e r i s t i c in t e r f e r e n c e p a t t e r n .
| A + B | 2 ≠ | A | 2 + | B | 2
Th e D o u b l e - Sl i t E xp er i m en t
Ca s e 3 : Q u a n t a
ar r a y o f e l e c t r o n de t e c t o r s
S
el ect r on s ou r ce
Di s t a n c e b e t w e e n s l i t s A an d B is 1 0 , 0 0 0 t im e s Courtesy of Elsevier, Inc., https://www.sciencedirect.com. Used with permission.
la r g e r t h a n t h e e le c t r o n s ’ d e B r o g lie w a v e le n g t h
Re l e a s e o n e e l e c t r o n a t a t i m e t o w a r d t h e b a r r i e r ; w a i t o n e h o u r b e t w e e n r e l e a s e s . Re p e a t t h i s pr oc e d u r e 1 0 , 0 0 0 t i m e s ( i . e . , g e t a pa t i e nt g r a d u a t e s t u d e nt ) , a nd t he n pl ot t he n u m be r of el ect ro n s d et ect ed at a g i v en p o s i t i o n al o n g t h e ar ra y o f d et ect o rs .
Th e D o u b l e - Sl i t E xp er i m en t
Ca s e 3 : Q u a n t a
sl i t A open, s l i t B cl os ed
sl i t A cl os ed , s l i t B open
W h e n o n ly o n e s lit is o p e n , t h e e le c t r o n r e s u lt s lo o k a lo t lik e t h e b u lle t r e s u lt s , c le a r ly c lu m p e d b e h in d t h e o p e n s lit . Y o u m ig h t r e a d ily d is m is s t h e sm a l l w i g g l es o n ei t h er si d e o f t h e cen t r a l p ea k a s s p u r io u s e x p e r im e n t a l e r r o r ; t h e y n e v e r r is e a b o v e
~ 1 % o f t h e c e n t r a l p e a k . “ A h a , ” y o u s a y : “e l e c t r ons a r e l i k e bu l l e t s a f t e r a l l … ”
Th e D o u b l e - Sl i t E xp er i m en t
Ca s e 3 : Q u a n t a
sl i t A open, s l i t B cl os ed
sl i t s A an d B open
Wh e n b o th s l i ts a r e o p e n , th e p a tte r n — aft e r 1 0 , 0 0 0 i n d i v i d u al el ect r o n s h a v e b een s h o t a t t h e s l i t s , o n e a t a t i m e , a n h o u r a p a r t ! — is e x a c t ly lik e t h a t o f in t e r f e r in g w a t e r w a v e s . E v e r y in d i v id u a l el ect r o n w a s det ect ed a s a l o ca l i z ed p a r t i cl e . I t w a s n ’ t t h e el ect r o n s th a t s p r e a d o u t l i k e a w a v e a n d i n te r f e r e d w i th e a c h o th e r ; i t w a s
sl i t A cl os ed , s l i t B open th e i r pr o babi l i ty am pl i tu de , . Ma x B o r n (1 9 2 6 ): Pr o b a b i l i t y = | | 2 .
Th e D o u b l e - Sl i t E xp er i m en t
t = 1 / 3 0 s t = 1 s t = 1 0 0 s
Th r e e s n a p s h o t s o f t h e d e t e c t i o n o f i n d i v i d u a l p h o t o n s a f t e r t h e y h a v e p a s s e d t h r o u g h a
ba r r i e r w i t h s l i t s . E a c h q u a nt u m i s d e t e c t e d a s a l oc a l i ze d pa r t i c l e , y e t t he pa t t e r n t ha t bu i l d s u p ov e r t i m e r e v e a l s w a v e l i k e i n t e r f e r e n c e . Co u r t e s y Ro b e r t A u s t i n a n d L y ma n P a g e , P r i n c e t o n
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Qu e s t i o n s ?
A S l i t D e t e c t o r ?
te s t
pa r t i cl es
el ect r ons
S
d
We c o u l d m o d i f y o u r a p p a r a t u s t o t r y t o d e t e r m i n e th r o u g h w h i c h s l i t an el ect r o n re a l l y p a s s e d : pl a c e te s t p a r ti c l e s be hi nd s l i t A . I f t h o s e pa r t i c l e s ge t s c a t t e r e d , t h e n w e k n o w t h a t t h e el ect r o n pa s s e d t hr ou g h s l i t A en r o u t e t o t h e s cr een .
* S e e o p t i o n a l Le c t u r e N o t e s on t he d ou bl e - sl i t e xp e r i m e n t
A S l i t D e t e c t o r ?
Nu m b e r o f el ect r o n s
Re s u l t s w h e n b o t h s l i t s a r e o p e n , bu t we Re s u l t s w h e n b o t h s l i t s a r e o p e n , an d we d o no t
me a s u r e t h r o u g h w h i c h s l i t e a c h e l e c t r o n p a s s e d . me a s u r e t h r o u g h w h i c h s l i t e a c h e l e c t r o n p a s s e d .
As k a “ p a r t i c l e - lik e ” q u e s tio n — “t h r o ugh w h i c h s l i t d i d t h e e l e c t r o n p as s ? ” — an d w e w i l l ge t a p a r t i c l e - lik e a n s w e r ( eith er sl i t A or sl i t B , w i t h p a r t i c l e - lik e s ta tis tic s ). A s k a “ w a v e - lik e ” que s t i o n — “h o w d o e s be ha v e be t w e e n t he s l i t s a nd t he d e t e c t or ? ” — an d w e w i l l g et a wa v e - lik e a n s w e r (in te r f e r e n c e p a tte r n w ith w a v e - lik e s ta tis tic s ).
Wa v e M e c h a n i c s S u m m a r y
Du r i n g 1 9 2 5 - 26, He i s e n b e r g an d Sc hr ö d i n g e r in d e p e n d e n t ly in t r o d u c e d n e w a p p r o a c h e s t o a f ir s t - pr i nc i pl e s qua nt um me c h a n i c s : a q u a n t i t a t i v e d e s c r i p t i o n o f t h e a t o m i c r e a l m t h a t h a d cer t a i n “ q u a n t u m ” i dea s b u i l t i n f r o m t h e s t a r t , r a t h er t h a n be i ng a ppe nd e d a s a d hoc “ c ond i t i ons . ”
Th e r i v a l a p p r o a c h e s — ma t r i x me c h a n i c s a n d w a v e me c h a n i c s — at fi r s t ap p e ar e d t o b e q u i t e d i s t i n c t fr o m e ac h ot he r . He i s e n b e r g ’ s ap p r o ac h e m p h as i z e d d i s c r e t e n e s s w h i l e Sc hr ö d i n g e r ’ s ap p r o ac h e m p h as i z e d c o n t i n u a. Y e t b y 1 9 2 6 , s e v e r al ph y s i c i s t s ha d d e m ons t r a t e d a m a t he m a t i c a l e q u i v a l e nc e .
Se v e r a l c o n c e p t ua l s ur p r i s e s :
• t he w a v e f u nc t i on wa s r e l a t e d t o pr o babi l i ti e s : Pr o b a b i l i t y = | | 2 (1 9 2 6 );
• c e r t a i n pa i r s of q u a nt i t i e s c ou l d not t a k e on si m u l t a ne ou sl y sha r p v a l u e s: x p x ≥ ℏ /2 (1 9 2 7 );
• wa v e - par ti c l e du al i ty : the type of a ns w e r one c ou l d e x pe c t t o f i nd d e pe nd e d on t he t y pe of que s t i o n one ha d a s k e d ( 1 9 2 7 ) . B ohr : “ co m p l em en t a r i t y .”
MIT OpenCourseWare
https://ocw.mit.edu
STS.042J / 8.225J Einstein, Oppenheimer, Feynman: Physics in the 20th Century
Fall 202 0
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