Čo je dualita vlny a častíc? Je to charakteristika fotónov a iných subatomárnych častíc, ktoré sa za určitých podmienok správajú ako vlny a za iných ako častice.
Vlnovo-časticová dualita hmoty a svetla je dôležitou súčasťou kvantovej mechaniky, pretože najlepšie demonštruje skutočnosť, že pojmy ako „vlny“a „častice“, ktoré v klasickej mechanike fungujú dobre, nestačia na to, aby vysvetlenia správania sa niektorých kvantových objektov.
Duálna povaha svetla získala uznanie vo fyzike po roku 1905, keď Albert Einstein opísal správanie svetla pomocou fotónov, ktoré boli opísané ako častice. Potom Einstein publikoval menej slávnu špeciálnu teóriu relativity, ktorá opísala svetlo ako vlnové správanie.
Častočky vykazujúce duálne správanie
Najlepšie zo všetkého je princíp duality vlny a častícpozorované pri správaní fotónov. Ide o najľahšie a najmenšie predmety vykazujúce dvojaké správanie. Medzi väčšími objektmi, ako sú elementárne častice, atómy a dokonca aj molekuly, možno pozorovať aj prvky vlnovo-časticovej duality, no väčšie objekty sa správajú ako extrémne krátke vlny, takže je veľmi ťažké ich pozorovať. Na opísanie správania väčších alebo makroskopických častíc zvyčajne postačujú pojmy používané v klasickej mechanike.
Dôkaz o dualite medzi vlnami a časticami
Ľudia premýšľali o podstate svetla a hmoty už mnoho storočí a dokonca tisícročí. Až donedávna fyzici verili, že vlastnosti svetla a hmoty musia byť jednoznačné: svetlo môže byť buď prúd častíc alebo vlna, rovnako ako hmota, buď pozostáva z jednotlivých častíc, ktoré sa úplne riadia zákonmi newtonovskej mechaniky, alebo môže byť súvislé, neoddeliteľné médium.
Spočiatku, v modernej dobe, bola populárna teória o správaní svetla ako prúdu jednotlivých častíc, teda korpuskulárna teória. Sám Newton sa toho držal. Avšak neskorší fyzici ako Huygens, Fresnel a Maxwell dospeli k záveru, že svetlo je vlna. Správanie svetla vysvetlili osciláciou elektromagnetického poľa a interakcia svetla a hmoty v tomto prípade spadala pod vysvetlenie klasickej teórie poľa.
Na začiatku dvadsiateho storočia však fyzici čelili skutočnosti, že ani prvé, ani druhé vysvetlenie nedokázaloúplne pokryť oblasť správania svetla za rôznych podmienok a interakcií.
Odvtedy mnohé experimenty dokázali dualitu správania niektorých častíc. Vzhľad a prijatie vlnovo-časticovej duality vlastností kvantových objektov však ovplyvnili najmä prvé, najskoršie experimenty, ktoré ukončili debatu o povahe správania sa svetla.
Fotoelektrický efekt: svetlo sa skladá z častíc
Fotoelektrický efekt, nazývaný aj fotoelektrický efekt, je proces interakcie svetla (alebo akéhokoľvek iného elektromagnetického žiarenia) s hmotou, v dôsledku čoho sa energia svetelných častíc prenáša na častice hmoty. Počas štúdia fotoelektrického javu nebolo možné správanie fotoelektrónov vysvetliť klasickou elektromagnetickou teóriou.
Heinrich Hertz už v roku 1887 poznamenal, že žiariace ultrafialové svetlo na elektródy zvýšilo ich schopnosť vytvárať elektrické iskry. Einstein v roku 1905 vysvetlil fotoelektrický efekt skutočnosťou, že svetlo je absorbované a emitované určitými kvantovými časťami, ktoré spočiatku nazval svetelné kvantá a potom ich nazval fotóny.
Experiment Roberta Millikena v roku 1921 potvrdil Einsteinov úsudok a viedol k tomu, že Einstein dostal Nobelovu cenu za objav fotoelektrického javu a sám Millikan dostal Nobelovu cenu v roku 1923 za prácu o elementárnych časticiach a štúdium fotoelektrického javu.
Davissonov-Jermerov experiment: svetlo je vlna
Davissonova skúsenosť - Germer potvrdilde Broglieho hypotéza o vlnovo-časticovej dualite svetla a slúžila ako základ pre formulovanie zákonov kvantovej mechaniky.
Obaja fyzici študovali odraz elektrónov od monokryštálu niklu. Zostava umiestnená vo vákuu pozostávala z monokryštálu niklu rozomletého pod určitým uhlom. Lúč monochromatických elektrónov bol nasmerovaný priamo kolmo na rovinu rezu.
Experimenty ukázali, že v dôsledku odrazu sú elektróny rozptýlené veľmi selektívne, to znamená, že vo všetkých odrazených lúčoch, bez ohľadu na rýchlosti a uhly, sú pozorované maximá a minimá intenzity. Davisson a Germer teda experimentálne potvrdili prítomnosť vlnových vlastností v časticiach.
V roku 1948 sovietsky fyzik V. A. Fabrikant experimentálne potvrdil, že vlnové funkcie sú vlastné nielen toku elektrónov, ale aj každému elektrónu zvlášť.
Jungov experiment s dvoma štrbinami
Praktický experiment Thomasa Younga s dvoma štrbinami je ukážkou toho, že svetlo aj hmota môžu vykazovať charakteristiky vĺn aj častíc.
Jungov experiment prakticky demonštruje povahu vlnovo-časticovej duality, napriek tomu, že sa prvýkrát uskutočnil na začiatku 19. storočia, ešte pred príchodom teórie dualizmu.
Podstata experimentu je nasledovná: zdroj svetla (napríklad laserový lúč) je nasmerovaný na dosku, kde sú vytvorené dve paralelné štrbiny. Svetlo prechádzajúce štrbinami sa odráža na obrazovke za doskou.
Vlnová povaha svetla spôsobuje, že svetelné vlny prechádzajú cez štrbiny domix, ktorý vytvára svetlé a tmavé pruhy na obrazovke, čo by sa nestalo, keby sa svetlo správalo čisto ako častice. Obrazovka však absorbuje a odráža svetlo a fotoelektrický efekt je dôkazom korpuskulárnej povahy svetla.
Čo je vlnovo-časticová dualita hmoty?
Otázku, či sa hmota môže správať v rovnakej dualite ako svetlo, prevzal de Broglie. Vlastní odvážnu hypotézu, že za určitých podmienok a v závislosti od experimentu môžu nielen fotóny, ale aj elektróny demonštrovať vlnovo-časticovú dualitu. Broglie rozvinul svoju myšlienku pravdepodobnosti vĺn nielen fotónov svetla, ale aj makročastíc v roku 1924.
Keď bola hypotéza potvrdená pomocou Davisson-Germerovho experimentu a opakovaním Youngovho experimentu s dvojitou štrbinou (s elektrónmi namiesto fotónov), de Broglie dostal Nobelovu cenu (1929).
Ukazuje sa, že aj hmota sa za správnych okolností môže správať ako klasická vlna. Samozrejme, veľké objekty vytvárajú vlny také krátke, že ich nemá zmysel pozorovať, ale menšie objekty, ako sú atómy alebo dokonca molekuly, vykazujú značnú vlnovú dĺžku, čo je veľmi dôležité pre kvantovú mechaniku, ktorá je prakticky postavená na vlnových funkciách.
Význam vlnovo-časticovej duality
Hlavný význam konceptu vlnovo-časticovej duality je v tom, že správanie elektromagnetického žiarenia a hmoty možno opísať pomocou diferenciálnej rovnice,ktorý predstavuje vlnovú funkciu. Zvyčajne je to Schrödingerova rovnica. Schopnosť opísať realitu pomocou vlnových funkcií je jadrom kvantovej mechaniky.
Najčastejšou odpoveďou na otázku, aká je dualita vlna-častica, je, že vlnová funkcia predstavuje pravdepodobnosť nájdenia určitej častice na určitom mieste. Inými slovami, pravdepodobnosť, že častica je na predpovedanom mieste, z nej robí vlnu, ale jej fyzický vzhľad a tvar nie.
Čo je dualita vlny a častíc?
Zatiaľ čo matematika, aj keď mimoriadne zložitým spôsobom, robí presné predpovede založené na diferenciálnych rovniciach, význam týchto rovníc pre kvantovú fyziku je oveľa ťažšie pochopiť a vysvetliť. Pokus vysvetliť, čo je dualita vlny a častíc, je stále v centre diskusie v kvantovej fyzike.
Praktický význam vlnovo-časticovej duality spočíva aj v tom, že každý fyzik sa musí naučiť vnímať realitu veľmi zaujímavým spôsobom, keď na adekvátne vnímanie už nestačí uvažovať o takmer akomkoľvek predmete bežným spôsobom. reality.
