Dualizm cząstek falowych i jak to działa

Duncan1890 / Getty Images

Zasada dualności falowo-cząsteczkowej Fizyka kwantowa utrzymuje, że materia i światło wykazują zachowania zarówno fal, jak i cząstek, w zależności od okoliczności eksperymentu. To złożony temat, ale jeden z najbardziej intrygujących w fizyce.

Dualizm falowo-cząsteczkowy w świetle

W XVII wieku Christiaan Huygens i Izaak Newton zaproponowali konkurencyjne teorie dotyczące zachowania światła. Huygens zaproponował falową teorię światła, podczas gdy Newtona była „korpuskularną” (cząstkową) teorią światła. Teoria Huygensa miała pewne problemy z dopasowaniem obserwacji, a prestiż Newtona pomógł jego teorii, więc przez ponad sto lat dominowała teoria Newtona.

Na początku XIX wieku pojawiły się komplikacje dla korpuskularnej teorii światła. Dyfrakcja został zaobserwowany, po pierwsze, z czym miał trudności w odpowiednim wyjaśnieniu. Eksperyment z podwójną szczeliną Thomasa Younga skutkowało oczywistym zachowaniem fal i wydawało się, że zdecydowanie popiera falową teorię światła nad teorią cząstek Newtona.

Generalnie fala musi się rozchodzić w jakimś medium. Zaproponowane przez Huygens medium było: świetlisty eter (lub w bardziej powszechnej współczesnej terminologii, eter ). Kiedy James Clerk Maxwell kwantyfikować zestaw równań (zwany Prawa Maxwella lub równania Maxwella ) wytłumaczyć promieniowanie elektromagnetyczne (włącznie z widzialne światło ) jako propagację fal przyjął właśnie taki eter jako ośrodek propagacji, a jego przewidywania były zgodne z wynikami eksperymentów.

Problem z teorią fal polegał na tym, że nigdy nie znaleziono takiego eteru. Nie tylko to, ale obserwacje astronomiczne aberracji gwiazdowych Jamesa Bradleya w 1720 r. wykazały, że eter musiałby być nieruchomy względem poruszającej się Ziemi. Przez cały XIX wiek podejmowano próby bezpośredniego wykrycia eteru lub jego ruchu, których kulminacją było słynne… Eksperyment Michelsona-Morley . Wszystkim nie udało się wykryć eteru, co wywołało ogromną debatę na początku XX wieku. Czy światło było falą czy cząsteczką?

W 1905 r. Alberta Einsteina opublikował swój artykuł, aby wyjaśnić efekt fotoelektryczny , który sugerował, że światło podróżuje jako dyskretne wiązki energii. Energia zawarta w fotonie była powiązana z częstotliwością światła. Ta teoria stała się znana jako teoria fotonowa światła (chociaż słowo foton powstało dopiero po latach).

W przypadku fotonów eter nie był już niezbędny jako środek propagacji, chociaż nadal pozostawiał dziwny paradoks, dlaczego zaobserwowano zachowanie fal. Jeszcze bardziej osobliwe były kwantowe wariacje eksperymentu z podwójną szczeliną i Efekt Comptona co wydawało się potwierdzać interpretację cząstek.

W miarę przeprowadzania eksperymentów i gromadzenia dowodów implikacje szybko stały się jasne i alarmujące:

Światło działa zarówno jako cząstka, jak i fala, w zależności od tego, jak przeprowadza się eksperyment i kiedy dokonuje się obserwacji.

Dualizm falowo-cząsteczkowy w materii

Z pytaniem, czy taka dwoistość ujawniła się również w materii, zmierzyli się odważni hipoteza de Brogliego , co rozszerzyło pracę Einsteina o powiązanie obserwowanej długości fali materii z jej pędem. Eksperymenty potwierdziły tę hipotezę w 1927 r., w wyniku czego w 1929 r. przyznano Nagrodę Nobla dla z Broglie .

Podobnie jak światło, wydawało się, że w odpowiednich warunkach materia wykazywała zarówno właściwości falowe, jak i cząsteczkowe. Oczywiście, masywne obiekty wykazują bardzo małe długości fal, tak małe, że raczej nie ma sensu myśleć o nich w sposób falowy. Ale w przypadku małych obiektów długość fali może być obserwowalna i znacząca, co potwierdza eksperyment z podwójną szczeliną z elektronami.

Znaczenie dualizmu falowo-cząsteczkowego

Główne znaczenie dualizmu falowo-cząsteczkowego polega na tym, że wszelkie zachowanie światła i materii można wyjaśnić za pomocą równania różniczkowego, które reprezentuje funkcję falową, ogólnie w postaci Równanie Schrödingera . Ta umiejętność opisywania rzeczywistości w postaci fal jest sercem mechaniki kwantowej.

Najczęstszą interpretacją jest to, że funkcja falowa reprezentuje prawdopodobieństwo znalezienia danej cząstki w danym punkcie. Te równania prawdopodobieństwa mogą uginać się, interferować i wykazywać inne właściwości falopodobne, co skutkuje końcową probabilistyczną funkcją falową, która również wykazuje te właściwości. Cząstki są dystrybuowane zgodnie z prawami prawdopodobieństwa i dlatego wykazują właściwości fal . Innymi słowy, prawdopodobieństwo, że cząstka znajduje się w dowolnym miejscu, jest falą, ale rzeczywisty wygląd fizyczny tej cząstki nie jest.

Chociaż matematyka, choć skomplikowana, daje dokładne przewidywania, fizyczne znaczenie tych równań jest znacznie trudniejsze do zrozumienia. Próba wyjaśnienia, co „w rzeczywistości oznacza” dualizm falowo-cząsteczkowy, jest kluczowym punktem debaty w fizyce kwantowej. Istnieje wiele interpretacji próbujących to wyjaśnić, ale wszystkie są związane tym samym zestawem równań falowych... i ostatecznie muszą wyjaśniać te same obserwacje eksperymentalne.

Edytowany przezdr Anne Marie Helmenstine