Physics 版 (精华区)

发信人: wangcx (水耗子), 信区: Physics
标  题: Who performed the most beautiful experiment in ph
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Sep 12 21:16:22 2002) , 转信

http://physicsweb.org/article/world/15/9/1
 
A brief history of the double-slit experiment
 
Editorial: September 2002
 
Who performed the most beautiful experiment in physics?
 
What is the most beautiful experiment in physics? This is the question that
Robert Crease asked Physics World readers in May - and more than 200 replied
 with suggestions as diverse as Schr?dinger's cat and the Trinity nuclear te
st in 1945. The top five included classic experiments by Galileo, Millikan,
Newton and Thomas Young. But uniquely among the top 10, the most beautiful e
xperiment in physics - Young's double-slit experiment applied to the interfe
rence of single electrons - does not have a name associated with it.
 
Most discussions of double-slit experiments with particles refer to Feynman'
s quote in his lectures: "We choose to examine a phenomenon which is impossi


ble, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has i
n it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only myster
y." Feynman went on to add: "We should say right away that you should not tr
y to set up this experiment. This experiment has never been done in just thi
s way. The trouble is that the apparatus would have to be made on an impossi
bly small scale to show the effects we are interested in. We are doing a "th
ought experiment", which we have chosen because it is easy to think about. W
e know the results that would be obtained because there are many experiments
 that have been done, in which the scale and the proportions have been chose
n to show the effects we shall describe".
It is not clear that Feynman was aware that the first double-slit experiment
 with electrons had been carried out in 1961, the year he started his lectur
es (which were published in 1963). More surprisingly, perhaps, Feynman did n
ot stress that an interference pattern would build up even if there was just
 one electron in the apparatus at a time. (This lack of emphasis was unusual
 because in the same lecture Feynman describes the electron experiment - and
 other double-slit experiments with water waves and bullets - in considerabl
e detail).
So who actually carried out the first double-slit experiment with single ele
ctrons? Not surprisingly many thought or gedanken experiments are named afte
r theorists - such as the Aharonov-Bohm effect, Bell's inequality, the Casim
ir force, the Einstein-Podolsky-Rosen paradox, Schr?dinger's cat and so on -


 and these names rightly remain even when the experiment has been performed
by others in the laboratory. However, it seems remarkable that no name whats
oever is attached to the double-slit experiment with electrons. Standard ref
erence books are silent on this question but a study of the literature revea
ls several unsung experimental heroes.
Back to Young
Young carried out his original double-slit experiment with light some time i
n the first decade of the 1800s, showing that the waves of light from the tw
o slits interfered to produce a characteristic fringe pattern on a screen. I
n 1909 Geoffrey Ingram (G I) Taylor conducted an experiment in which he show
ed that even the feeblest light source - equivalent to "a candle burning at
a distance slightly exceeding a mile" - could lead to interference fringes.
This led to Dirac's famous statement that "each photon then interferes only
with itself".
In 1927 Clinton Davisson and Lester Germer observed the diffraction of elect
ron beams from a nickel crystal - demonstrating the wave-like properties of
particles for the first time - and George (G P) Thompson did the same with t
hin films of celluloid and other materials shortly afterwards. Davisson and
Thomson shared the 1937 Nobel prize for "discovery of the interference pheno
mena arising when crystals are exposed to electronic beams", but neither per
formed a double-slit experiment with electrons.
In the early 1950s Ladislaus Laszlo Marton of the US National Bureau of Stan


dards (now NIST) in Washington, DC demonstrated electron interference but th
is was in a Mach-Zehnder rather than a double-slit geometry. These were the
early days of the electron microscope and physicists were keen to exploit th
e very short de Broglie wavelength of electrons to study objects that were t
oo small to be studied with visible light. Doing gedanken or thought experim
ents in the laboratory was further down their list of priorities.
A few years later Gottfried M?llenstedt and Heinrich Düker of the Universit
y of Tübingen in Germany used an electron biprism - essentially a very thin
 conducting wire at right angles to the beam - to split an electron beam int
o two components and observe interference between them. (M?llenstedt made th
e wires by coating fibres from spiders' webs with gold - indeed, it is said
that he kept spiders in the laboratory for this purpose). The electron bipri
sm was to become widely used in the development of electron holography and a
lso in other experiments, including the first measurement of the Aharonov-Bo
hm effect by Bob Chambers at Bristol University in the UK in 1960.
But in 1961 Claus J?nsson of Tübingen, who had been one of M?llenstedt's st
udents, finally performed an actual double-slit experiment with electrons fo
r the first time (Zeitschrift für Physik 161 454). Indeed, he demonstrated
interference with up to five slits. The next milestone - an experiment in wh
ich there was just one electron in the apparatus at any one time - was reach
ed by Akira Tonomura and co-workers at Hitachi in 1989 when they observed th
e build up of the fringe pattern with a very weak electron source and an ele


ctron biprism (American Journal of Physics 57 117-120). Whereas J?nsson's ex
periment was analogous to Young's original experiment, Tonomura's was simila
r to G I Taylor's.
Since then particle interference has been demonstrated with neutrons, atoms
and molecules as large as carbon-60 and carbon-70. And earlier this year ano
ther famous experiment in optics - the Hanbury Brown and Twiss experiment -
was performed with electrons for the first time (again at Tübingen!). Howev
er, the results are profoundly different this time because electrons are fer
mions - and therefore obey the Pauli exclusion principle - whereas photons a
re bosons and do not.
Credit where it's due
So why are J?nsson, Tonomura and the other pioneers of the double-slit exper
iment not well known? One obvious reason is that J?nsson's results were firs
t published in German in a German journal. Another reason might be that ther
e was little incentive to perform the ultimate thought experiment in the lab
, and little recognition for doing so. When J?nsson's paper was translated i
nto English 13 years later and published in the American Journal of Physics
in 1974 (volume 42, pp4-11), the journal's editors, Anthony (A P) French and
 Edwin Taylor, described it as a "great experiment", but added that there ar
e "few professional rewards" for performing what they describe as "real, ped
agogically clean fundamental experiments."
It is worth noting that the first double-slit experiment with single electro


ns by Tonomura and co-workers was also published in the American Journal of
Physics, which publishes articles on the educational and cultural aspects of
 physics, rather than being a research journal. Indeed, the journal's inform
ation for contributors states: "We particularly encourage manuscripts on alr
eady published contemporary research that can be used directly or indirectly
 in the classroom. We specifically do not publish articles announcing new th
eories or experimental results."
French and Taylor's editorial also confirms how little known J?nsson's exper
iment was at the time: "For decades two-slit electron interference has been
presented as a thought experiment whose predicted results are justified by t
heir remote and somewhat obscure relation to real experiments in which elect
rons are diffracted by crystals. Few such recent presentations acknowledge t
hat the two-slit electron interference experiment has now been done and that
 the results agree with the expectation of quantum physics in all detail."
However, it should be noted that the history of physics is complicated and t
hat events are rarely as clear-cut as we might like. For instance, it is wid
ely claimed that Young performed his double-slit experiment in 1801 but he d
id not publish any account of it until his Lectures on Natural Philosophy in
 1807. It also appears as if Davisson and a young collaborator called C H Ku
nsman observed electron diffraction in 1923 - four years before Davisson and
 Germer - without realising it.
Final thoughts


Gedanken or thought experiments have played an important role in the history
 of quantum physics. It is unlikely that the whole area of quantum informati
on would be as lively as it is today - both theoretically and experimentally
 - if a small band of physicists had not persevered and actually demonstrate
d quantum phenomena with individual particles.
At one time the Casimir force, which has yet to be measured with an accuracy
 of better than 15% in the geometry first proposed by Hendrik Casimir in 194
8, might also have been viewed as purely a pedagogical experiment - a gedank
en experiment with little relevance to real experimental physics. However, i
t is now clear that applications as varied as nanotechnology and experimenta
l tests of theories of "large" extra dimensions require a detailed knowledge
 of the Casimir force.
The need for "real, pedagogically clean fundamental experiments" is clearly
as great as ever.
This is a longer version of the article "The double-slit experiment" that ap
peared in the print version of the September issue of Physics World, on page
 15.
References
General
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ndon 360 803-1069
R P Crease 2002 The most beautiful experiment Physics World September pp19-2
0. This article contains the results of Crease's survey for Physics World; t
he first article about the survey appeared on page 17 of the May 2002 issue.
 
Electron interference experiments
Visit www.nobel.se/physics/laureates/1937/index.html for details of the Nobe
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nger 2002 Matter-wave interferometer for large molecules Physical Review Let
ters 88 100404
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erence electron microscopy Journal of Physics E 14 649-671. This review cove
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bingen and elsewhere.
A Zeilinger, R G?hler, C G Shull, W Treimer and W Mampe 1988 Single- and dou
ble-slit diffraction of neutrons Reviews of Modern Physics 60 1067-1073
A Tonomura 1993 Electron Holography (Springer-Verlag, Berlin/New York)
H Rauch and S A Werner 2000 Neutron Interferometry: Lessons in Experimental
Quantum Mechanics (Oxford Science Publications)
Author
Peter Rodgers is Editor of Physics World
 
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                  Monte Carlo 10.21.10.237
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