Hva er bølge-partikkel-dualitet? Det er en karakteristikk av fotoner og andre subatomære partikler som oppfører seg som bølger under noen forhold og som partikler under andre.
Bølge-partikkel-dualitet av materie og lys er en viktig del av kvantemekanikken, fordi den best demonstrerer det faktum at slike begreper som "bølger" og "partikler", som fungerer fint i klassisk mekanikk, ikke er nok til å forklaringer på oppførselen til noen kvanteobjekter.
Lysets doble natur fikk anerkjennelse i fysikken etter 1905, da Albert Einstein beskrev lysets oppførsel ved hjelp av fotoner, som ble beskrevet som partikler. Så publiserte Einstein den mindre kjente spesielle relativitetsteorien, som beskrev lys som bølgeadferd.
Partikler som viser dobbel oppførsel
Best av alt, prinsippet om bølge-partikkel-dualitetobservert i oppførselen til fotoner. Dette er de letteste og minste gjenstandene som viser dobbel oppførsel. Blant større objekter, som elementærpartikler, atomer og til og med molekyler, kan elementer av bølge-partikkel-dualitet også observeres, men større objekter oppfører seg som ekstremt korte bølger, så de er svært vanskelige å observere. Vanligvis er konseptene som brukes i klassisk mekanikk tilstrekkelige til å beskrive oppførselen til større eller makroskopiske partikler.
Bevis på bølge-partikkel-dualitet
Folk har tenkt på naturen til lys og materie i mange århundrer og til og med årtusener. Inntil relativt nylig mente fysikere at egenskapene til lys og materie må være entydige: lys kan enten være en strøm av partikler eller en bølge, akkurat som materie, enten bestående av individuelle partikler som fullstendig adlyder lovene til newtonsk mekanikk, eller være en kontinuerlig, uatskillelig medium.
Opprinnelig, i moderne tid, var teorien om lysets oppførsel som en strøm av individuelle partikler, det vil si den korpuskulære teorien, populær. Newton selv holdt seg til det. Senere fysikere som Huygens, Fresnel og Maxwell konkluderte imidlertid med at lys er en bølge. De forklarte lysets oppførsel ved oscillasjonen av det elektromagnetiske feltet, og samspillet mellom lys og materie f alt i dette tilfellet under forklaringen til den klassiske feltteorien.
Men på begynnelsen av det tjuende århundre ble fysikere møtt med det faktum at verken den første eller den andre forklaringen kunnefullstendig dekke området med lysadferd under ulike forhold og interaksjoner.
Siden den gang har en rekke eksperimenter bevist dualiteten i oppførselen til enkelte partikler. Utseendet og aksepten av bølge-partikkel-dualitet av egenskapene til kvanteobjekter ble imidlertid spesielt påvirket av de første, tidligste eksperimentene, som satte en stopper for debatten om naturen til lysets oppførsel.
Fotoelektrisk effekt: lys består av partikler
Den fotoelektriske effekten, også k alt den fotoelektriske effekten, er prosessen med interaksjon av lys (eller annen elektromagnetisk stråling) med materie, som et resultat av at energien til lyspartikler overføres til materiepartikler. Under studiet av den fotoelektriske effekten kunne ikke oppførselen til fotoelektroner forklares med klassisk elektromagnetisk teori.
Heinrich Hertz bemerket tilbake i 1887 at skinnende ultrafiolett lys på elektrodene økte deres evne til å lage elektriske gnister. Einstein i 1905 forklarte den fotoelektriske effekten med det faktum at lys absorberes og sendes ut av visse kvantedeler, som han opprinnelig k alte lyskvanter, og deretter k alte dem fotoner.
Et eksperiment av Robert Milliken i 1921 bekreftet Einsteins vurdering og førte til at sistnevnte fikk Nobelprisen for oppdagelsen av den fotoelektriske effekten, og Millikan selv mottok Nobelprisen i 1923 for sitt arbeid med elementærpartikler og studiet av den fotoelektriske effekten.
Davisson-Jermer-eksperiment: lys er en bølge
Davissons erfaring - Germer bekreftetde Broglies hypotese om lysets bølge-partikkeldualitet og fungerte som grunnlag for å formulere kvantemekanikkens lover.
Begge fysikere studerte refleksjon av elektroner fra en enkeltkrystall i nikkel. Oppsettet, plassert i et vakuum, besto av en nikkel-enkrystalljord i en viss vinkel. En stråle med monokromatiske elektroner ble rettet direkte vinkelrett på kuttplanet.
Eksperimenter har vist at elektroner som et resultat av refleksjon spres veldig selektivt, det vil si at i alle reflekterte stråler, uavhengig av hastigheter og vinkler, observeres maksima og minimum for intensitet. Dermed bekreftet Davisson og Germer eksperimentelt tilstedeværelsen av bølgeegenskaper i partikler.
I 1948 bekreftet den sovjetiske fysikeren V. A. Fabrikant eksperimentelt at bølgefunksjoner er iboende ikke bare i strømmen av elektroner, men også i hvert elektron separat.
Jungs eksperiment med to sp alter
Thomas Youngs praktiske eksperiment med to sp alter er en demonstrasjon av at både lys og materie kan utvise egenskapene til både bølger og partikler.
Jungs eksperiment demonstrerer praktisk t alt naturen til bølge-partikkel-dualitet, til tross for at det først ble utført på begynnelsen av 1800-tallet, selv før dualismeteorien kom.
Essensen av eksperimentet er som følger: en lyskilde (for eksempel en laserstråle) rettes mot en plate hvor to parallelle spor er laget. Lys som passerer gjennom sp altene reflekteres på skjermen bak platen.
Lysets bølgenatur får lysbølger som passerer gjennom sp alter tilblande, og produsere lyse og mørke striper på skjermen, noe som ikke ville skje hvis lys oppførte seg som partikler. Skjermen absorberer og reflekterer imidlertid lys, og den fotoelektriske effekten er et bevis på lysets korpuskulære natur.
Hva er bølge-partikkeldualitet av materie?
Spørsmålet om materie kan oppføre seg i samme dualitet som lys, tok de Broglie opp. Han eier en dristig hypotese om at under visse forhold og avhengig av eksperimentet, kan ikke bare fotoner, men også elektroner demonstrere bølge-partikkel-dualitet. Broglie utviklet ideen sin om sannsynlighetsbølger, ikke bare av fotoner av lys, men også av makropartikler i 1924.
Da hypotesen ble bevist ved å bruke Davisson-Germer-eksperimentet og gjenta Youngs dobbeltsp alte-eksperiment (med elektroner i stedet for fotoner), mottok de Broglie Nobelprisen (1929).
Det viser seg at materie også kan oppføre seg som en klassisk bølge under de rette omstendighetene. Selvfølgelig lager store objekter bølger så korte at det er meningsløst å observere dem, men mindre objekter, som atomer eller til og med molekyler, viser en merkbar bølgelengde, noe som er veldig viktig for kvantemekanikk, som praktisk t alt er bygget på bølgefunksjoner.
Betydningen av bølge-partikkeldualitet
Hovedbetydningen av begrepet bølge-partikkel-dualitet er at oppførselen til elektromagnetisk stråling og materie kan beskrives ved hjelp av en differensialligning,som representerer bølgefunksjonen. Vanligvis er dette Schrödinger-ligningen. Evnen til å beskrive virkeligheten ved hjelp av bølgefunksjoner er kjernen i kvantemekanikken.
Det vanligste svaret på spørsmålet om hva bølge-partikkel-dualitet er, er at bølgefunksjonen representerer sannsynligheten for å finne en bestemt partikkel på et bestemt sted. Med andre ord, sannsynligheten for at en partikkel befinner seg på et forutsagt sted gjør den til en bølge, men dens fysiske utseende og form er det ikke.
Hva er bølge-partikkeldualitet?
Mens matematikk, om enn på en ekstremt kompleks måte, gir nøyaktige spådommer basert på differensialligninger, er betydningen av disse ligningene for kvantefysikk mye vanskeligere å forstå og forklare. Et forsøk på å forklare hva bølge-partikkel-dualitet er, står fortsatt i sentrum for debatten i kvantefysikk.
Den praktiske betydningen av bølge-partikkel-dualitet ligger også i det faktum at enhver fysiker må lære å oppfatte virkeligheten på en veldig interessant måte, når det å tenke på nesten ethvert objekt på vanlig måte ikke lenger er nok for en adekvat persepsjon av virkeligheten.
