Dvojnost valovnih delcev in kako deluje

Duncan1890 / Getty Images

Načelo dualnosti val-delec kvantna fizika meni, da se materija in svetloba obnašata tako valovanje kot delci, odvisno od okoliščin eksperimenta. To je kompleksna tema, a med najbolj zanimivimi v fiziki.

Dvojnost valov in delcev v svetlobi

Leta 1600 sta Christiaan Huygens in Isaac Newton predlagal konkurenčne teorije za obnašanje svetlobe. Huygens je predlagal valovno teorijo svetlobe, medtem ko je bila Newtonova 'korpuskularna' (delcev) teorija svetlobe. Huygensova teorija je imela nekaj težav pri ujemanju z opazovanjem in Newtonov prestiž je pomagal podpreti njegovo teorijo, tako da je več kot stoletje prevladovala Newtonova teorija.

V začetku devetnajstega stoletja je prišlo do zapletov za korpuskularno teorijo svetlobe. Difrakcija opazili, kot eno stvar, ki jo je imel težave ustrezno razložiti. Poskus z dvojno režo Thomasa Younga povzročilo očitno obnašanje valov in zdelo se je, da trdno podpira valovno teorijo svetlobe v primerjavi z Newtonovo teorijo delcev.

Val se mora na splošno širiti skozi nekakšen medij. Medij, ki ga je predlagal Huygens, je bil svetlobni eter (ali v bolj običajni sodobni terminologiji, eter ). Kdaj James Clerk Maxwell kvantificiral niz enačb (imenovanih Maxwellovi zakoni oz Maxwellove enačbe ) razložiti elektromagnetno sevanje (vključno z vidna svetloba ) kot širjenje valov je predpostavil prav tak eter kot medij širjenja in njegove napovedi so bile skladne z eksperimentalnimi rezultati.

Težava s teorijo valov je bila, da takega etra še nikoli niso našli. Ne samo to, tudi astronomska opazovanja zvezdne aberacije, ki jih je izvedel James Bradley leta 1720, so pokazala, da bi moral eter mirovati glede na premikajočo se Zemljo. V 19. stoletju so poskušali neposredno zaznati eter ali njegovo gibanje, kar je doseglo vrhunec v znameniti Michelson-Morleyjev eksperiment . Vsem ni uspelo zaznati etra, kar je povzročilo veliko razpravo na začetku dvajsetega stoletja. Je bila svetloba val ali delec?

Leta 1905, Albert Einstein objavil svoj članek, da pojasni fotoelektrični učinek , ki je predlagal, da svetloba potuje kot diskretni snopi energije. Energija v fotonu je bila povezana s frekvenco svetlobe. Ta teorija je postala znana kot fotonska teorija svetlobe (čeprav je bila beseda foton skovana leta pozneje).

S fotoni eter ni bil več bistvenega pomena kot sredstvo širjenja, čeprav je še vedno pustil nenavaden paradoks, zakaj so opazili obnašanje valov. Še bolj nenavadne so bile kvantne variacije eksperimenta z dvojno režo in Comptonov učinek kar se je zdelo, da potrjuje razlago delcev.

Ko so bili izvedeni poskusi in kopičenje dokazov, so posledice hitro postale jasne in zaskrbljujoče:

Svetloba deluje tako kot delec kot kot val, odvisno od tega, kako poteka poskus in kdaj se izvajajo opazovanja.

Valovno-delčna dvojnost v snovi

Vprašanja, ali se je takšna dvojnost pokazala tudi v materiji, so se lotili drzni de Brogliejeva hipoteza , ki je Einsteinovo delo razširil na povezavo med opazovano valovno dolžino snovi in ​​njeno gibalno količino. Poskusi so hipotezo potrdili leta 1927, kar je leta 1929 prineslo Nobelovo nagrado za iz Broglieja .

Tako kot svetloba se je zdelo, da je snov v pravih okoliščinah kazala lastnosti valov in delcev. Očitno je, da imajo masivni predmeti zelo majhne valovne dolžine, pravzaprav tako majhne, ​​da je precej nesmiselno razmišljati o njih v obliki valov. Toda pri majhnih predmetih je valovna dolžina lahko opazna in pomembna, kot potrjuje eksperiment z dvojno režo z elektroni.

Pomen dvojnosti val-delec

Glavni pomen dualnosti val-delec je, da je vse obnašanje svetlobe in snovi mogoče razložiti z uporabo diferencialne enačbe, ki predstavlja valovno funkcijo, na splošno v obliki Schrodingerjeva enačba . Ta sposobnost opisovanja realnosti v obliki valov je v središču kvantne mehanike.

Najpogostejša razlaga je, da valovna funkcija predstavlja verjetnost, da najdemo dani delec na dani točki. Te verjetnostne enačbe lahko difraktirajo, interferirajo in kažejo druge lastnosti, podobne valovom, kar povzroči končno verjetnostno valovno funkcijo, ki kaže tudi te lastnosti. Delci so na koncu porazdeljeni v skladu z verjetnostnimi zakoni in zato kažejo valovne lastnosti . Z drugimi besedami, verjetnost, da je delec na kateri koli lokaciji, je val, dejanski fizični videz tega delca pa ni.

Medtem ko matematika, čeprav je zapletena, daje natančne napovedi, je fizični pomen teh enačb veliko težje razumeti. Poskus razlage, kaj 'dejansko pomeni' dualnost val-delec, je ključna točka razprave v kvantni fiziki. Obstaja veliko interpretacij, ki poskušajo to razložiti, vendar so vse vezane na isti niz valovnih enačb ... in navsezadnje morajo razložiti enaka eksperimentalna opazovanja.

UredilAnne Marie Helmenstine, dr.