Bangos dalelių dvilypumas ir kaip tai veikia

Duncan1890 / Getty Images

Bangos ir dalelės dvilypumo principas Kvantinė fizika mano, kad materija ir šviesa demonstruoja tiek bangų, tiek dalelių elgesį, priklausomai nuo eksperimento aplinkybių. Tai sudėtinga tema, bet viena labiausiai intriguojančių fizikoje.

Bangos ir dalelių dvilypumas šviesoje

1600-aisiais Christiaan Huygens ir Izaokas Niutonas pasiūlė konkuruojančias šviesos elgesio teorijas. Huygensas pasiūlė šviesos bangų teoriją, o Niutono – „kūno“ (dalelių) šviesos teoriją. Huygenso teorija turėjo tam tikrų problemų, susijusių su stebėjimo suderinimu, o Niutono prestižas padėjo paremti jo teoriją, todėl daugiau nei šimtmetį Niutono teorija buvo dominuojanti.

Devynioliktojo amžiaus pradžioje iškilo komplikacijų dėl korpuskulinės šviesos teorijos. Difrakcija buvo pastebėtas vienas dalykas, kurį jai buvo sunku tinkamai paaiškinti. Thomaso Youngo dvigubo plyšio eksperimentas lėmė akivaizdų bangų elgesį ir, atrodo, tvirtai palaiko šviesos bangų teoriją, o ne Niutono dalelių teoriją.

Banga paprastai turi sklisti per tam tikrą terpę. Huygenso pasiūlyta terpė buvo tokia šviečiantis eteris (arba įprasta šiuolaikine terminija, eteris ). Kada Jamesas Clerkas Maxwellas kiekybiškai įvertino lygčių rinkinį (vadinamą Maksvelo dėsniai arba Maksvelo lygtys ) paaiškinti elektromagnetinė radiacija (įskaitant matoma šviesa ) kaip bangų sklidimą, sklidimo terpe jis laikė būtent tokį eterį, o jo prognozės atitiko eksperimentinius rezultatus.

Bangų teorijos problema buvo ta, kad tokio eterio niekada nebuvo rasta. Negana to, astronominiai Džeimso Bredlio žvaigždžių aberacijos stebėjimai 1720 m. parodė, kad eteris turi būti nejudantis judančios Žemės atžvilgiu. 1800-aisiais eterį ar jo judėjimą buvo bandoma aptikti tiesiogiai, o kulminacija buvo garsioji Michelson-Morley eksperimentas . Jiems visiems nepavyko iš tikrųjų aptikti eterio, todėl prasidėjo didžiulės diskusijos, prasidėjus XX a. Ar šviesa buvo banga ar dalelė?

1905 m. Albertas Einšteinas paskelbė savo dokumentą, kad paaiškintų fotoelektrinis efektas , kuriame buvo pasiūlyta, kad šviesa keliauja kaip atskiri energijos pluoštai. Fotone esanti energija buvo susijusi su šviesos dažniu. Ši teorija buvo žinoma kaip fotonų teorija šviesos (nors žodis fotonas buvo sukurtas tik po daugelio metų).

Naudojant fotonus, eteris nebebuvo būtinas kaip sklidimo priemonė, nors jis vis dar paliko keistą paradoksą, kodėl buvo stebimas bangų elgesys. Dar ypatingesni buvo dvigubo plyšio eksperimento kvantiniai variantai ir Komptono efektas kuris tarsi patvirtino dalelės interpretaciją.

Atliekant eksperimentus ir kaupiant įrodymus, pasekmės greitai tapo aiškios ir keliančios nerimą:

Šviesa veikia ir kaip dalelė, ir kaip banga, priklausomai nuo to, kaip atliekamas eksperimentas ir kada atliekami stebėjimai.

Bangos ir dalelės dvilypumas materijoje

Klausimas, ar toks dvilypumas pasireiškė ir materijoje, buvo sprendžiamas drąsiai de Broglie hipotezę , kuris išplėtė Einšteino darbą, siekdamas susieti stebimą materijos bangos ilgį su jos impulsu. Eksperimentai patvirtino hipotezę 1927 m., todėl 1929 m. buvo suteikta Nobelio premija už iš Broglie .

Kaip ir šviesa, atrodė, kad materija tinkamomis aplinkybėmis pasižymi ir bangų, ir dalelių savybėmis. Akivaizdu, kad masyvūs objektai turi labai mažus bangos ilgius, iš tikrųjų tokius mažus, kad gana beprasmiška apie juos galvoti bangų būdu. Tačiau mažų objektų bangos ilgis gali būti pastebimas ir reikšmingas, kaip patvirtina dvigubo plyšio eksperimentas su elektronais.

Bangos ir dalelės dvilypumo reikšmė

Pagrindinė bangos ir dalelės dvilypumo reikšmė yra ta, kad visas šviesos ir materijos elgesys gali būti paaiškintas naudojant diferencialinę lygtį, kuri atspindi bangos funkciją, paprastai kaip Schrodingerio lygtis . Šis gebėjimas apibūdinti tikrovę bangų pavidalu yra kvantinės mechanikos pagrindas.

Labiausiai paplitęs aiškinimas yra toks, kad bangos funkcija parodo tikimybę rasti tam tikrą dalelę tam tikrame taške. Šios tikimybių lygtys gali difraktuoti, trukdyti ir turėti kitas į bangas panašias savybes, todėl susidaro galutinė tikimybinė bangos funkcija, kuri taip pat turi šias savybes. Dalelės pasiskirsto pagal tikimybių dėsnius ir todėl parodo bangų savybės . Kitaip tariant, tikimybė, kad dalelė bus bet kurioje vietoje, yra banga, tačiau tikroji tos dalelės fizinė išvaizda nėra.

Nors matematika, nors ir sudėtinga, tiksliai prognozuoja, fizinę šių lygčių prasmę suvokti daug sunkiau. Bandymas paaiškinti, ką „iš tikrųjų reiškia“ bangų ir dalelių dvilypumas, yra pagrindinis kvantinės fizikos diskusijų taškas. Egzistuoja daugybė aiškinimų, bandančių tai paaiškinti, tačiau jie visi yra susieti su ta pačia bangų lygčių rinkiniu... ir galiausiai turi paaiškinti tuos pačius eksperimentinius stebėjimus.

RedaguotaAnne Marie Helmenstine, mokslų daktarė.