Dualność cząstek falowych i jak to działa

Zasada dualizmu cząstka-fala Fizyka kwantowa utrzymuje, że materia i światło wykazują zachowanie zarówno fal, jak i cząstek, w zależności od okoliczności eksperymentu. Jest to złożony temat, ale zaliczany do najbardziej intrygujących w fizyce.

W 1600, Christiaan Huygens i Isaac Newton zaproponował konkurujące teorie dotyczące zachowania światła. Huygens zaproponował falową teorię światła, podczas gdy Newtona była „ciałkową” (cząsteczkową) teorią światła. Teoria Huygensa miała pewne problemy z dopasowaniem obserwacji, a prestiż Newtona pomógł poprzeć jego teorię, więc przez ponad wiek teoria Newtona była dominująca.

Na początku dziewiętnastego wieku pojawiły się komplikacje dla ciałkowatej teorii światła. Dyfrakcja zaobserwowano, z jednej strony, co trudno mu było odpowiednio wytłumaczyć. Eksperyment Thomasa Younga z podwójną szczeliną spowodowało oczywiste zachowanie fal i wydawało się, że mocno wspiera falową teorię światła nad teorią cząstek Newtona.

Fala na ogół musi rozprzestrzeniać się za pośrednictwem pewnego rodzaju medium. Nośnikiem zaproponowanym przez Huygensa był świecący eter (lub w bardziej powszechnej nowoczesnej terminologii, eter). Gdy James Clerk Maxwell skwantyfikował zbiór równań (tzw Prawa Maxwella lub Równania Maxwella) wytłumaczyć promieniowanie elektromagnetyczne (włącznie z widzialne światło) jako propagację fal przyjął on właśnie taki eter jak ośrodek propagacji, a jego przewidywania były zgodne z wynikami eksperymentalnymi.

Problem z teorią fal polegał na tym, że nigdy nie znaleziono takiego eteru. Co więcej, obserwacje astronomiczne z aberracją gwiezdną przez Jamesa Bradleya w 1720 r. Wskazały, że eter musiałby być nieruchomy względem poruszającej się Ziemi. W XIX wieku podejmowano próby bezpośredniego wykrycia eteru lub jego ruchu, co doprowadziło do słynnego Eksperyment Michelsona-Morleya. Wszyscy nie wykryli eteru, co doprowadziło do wielkiej debaty na początku XX wieku. Czy światło było falą czy cząsteczką?

W 1905 r. Albert Einstein opublikował swój artykuł, aby wyjaśnić efekt fotoelektryczny, która sugerowała, że ​​światło podróżuje jako dyskretne wiązki energii. Energia zawarta w fotonie była związana z częstotliwością światła. Teoria ta stała się znana jako teoria fotonów światła (chociaż słowo foton nie powstało dopiero po latach).

W przypadku fotonów eter nie był już niezbędny jako środek propagacji, chociaż pozostawił dziwny paradoks, dlaczego zaobserwowano zachowanie fal. Jeszcze bardziej osobliwe były wariacje kwantowe 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 przeprowadzany jest eksperyment i kiedy dokonywane są obserwacje.

Odważne było pytanie, czy taka dualność pojawiła się także w materii hipoteza de Broglie, co rozszerzyło pracę Einsteina o powiązanie obserwowanej długości fali materii z jej pędem. Eksperymenty potwierdziły hipotezę z 1927 r., W wyniku której otrzymano Nagrodę Nobla z 1929 r de Broglie.

Podobnie jak światło, wydawało się, że we właściwych okolicznościach materia wykazuje zarówno właściwości falowe, jak i cząsteczkowe. Oczywiście, masywne obiekty wykazują bardzo małe długości fal, tak małe, że nie ma sensu myśleć o nich falowo. Ale w przypadku małych obiektów długość fali może być obserwowalna i znacząca, o czym świadczy eksperyment z podwójną szczeliną z elektronami.

Głównym znaczeniem dualizmu cząstka-fala jest to, że każde zachowanie światła i materii może być wyjaśnione za pomocą równania różniczkowego, które reprezentuje funkcję falową, ogólnie w formie z Równanie Schrodingera. Ta umiejętność opisywania rzeczywistości w postaci fal leży u podstaw mechaniki kwantowej.

Najczęstszą interpretacją jest to, że funkcja falowa reprezentuje prawdopodobieństwo znalezienia danej cząstki w danym punkcie. Te równania prawdopodobieństwa mogą dyfrakować, zakłócać i wykazywać inne właściwości podobne do fali, co skutkuje ostateczną funkcją fali probabilistycznej, która również wykazuje te właściwości. Cząstki są ostatecznie dystrybuowane zgodnie z prawami prawdopodobieństwa i dlatego wykazują właściwości falowe. Innymi słowy, prawdopodobieństwo, że cząstka znajdzie się w dowolnym miejscu, jest falą, ale faktyczny wygląd tej cząstki nie jest.

Podczas gdy matematyka, choć skomplikowana, dokonuje dokładnych prognoz, fizyczne znaczenie tych równań jest znacznie trudniejsze do zrozumienia. Próba wyjaśnienia, co tak naprawdę oznacza dualność cząstka-fala, jest kluczowym punktem debaty w fizyce kwantowej. Istnieje wiele interpretacji mających na celu wyjaśnienie tego, ale wszystkie są powiązane tym samym zestawem równań falowych... i ostatecznie muszą wyjaśnić te same obserwacje eksperymentalne.

Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine