Двойственность волновых частиц и как это работает

Принцип двойственности волны и частицы в квантовой физике гласит, что материя и свет проявляют поведение как волн, так и частиц, в зависимости от обстоятельств эксперимента. Это сложная тема, но одна из самых интригующих в физике.

Двойственность волны и частицы в свете

В 1600-х годах Христиан Гюйгенс и Исаак Ньютон предложили конкурирующие теории поведения света. Гюйгенс предложил волновую теорию света, а Ньютон – «корпускулярную» (частичную) теорию света. У теории Гюйгенса были некоторые проблемы с сопоставлением наблюдений, и престиж Ньютона помог поддержать его теорию, поэтому на протяжении более века теория Ньютона была доминирующей.

В начале В девятнадцатом веке корпускулярная теория света усложнилась. Во-первых, наблюдалась дифракция, которую трудно объяснить. Эксперимент Томаса Юнга с двойной щелью привел к очевидному поведению волн и, казалось, твердо поддержал волновую теорию света над теорией частиц Ньютона.

Волна обычно должна распространяться сквозь какой-то медиум. Средой, предложенной Гюйгенсом, был светоносный эфир (или, в более общей современной терминологии, эфир ). Когда Джеймс Клерк Максвелл количественно оценил набор уравнений (названных законами Максвелла или уравнениями Максвелла ), чтобы объяснить электромагнитное излучение (включая видимый свет) как распространение волн, он предположил, что именно такой эфир является средой распространения, и его предсказания согласовывались с экспериментальными результатами.

Проблема волновой теории заключалась в том, что такого эфира не было. когда-либо были найдены. Более того, астрономические наблюдения звездной аберрации Джеймсом Брэдли в 1720 году показали, что эфир должен быть стационарным относительно движущейся Земли. На протяжении 1800-х годов предпринимались попытки напрямую обнаружить эфир или его движение, что привело к знаменитому эксперименту Майкельсона-Морли. Все они не смогли обнаружить эфир, что привело к огромным дебатам в начале двадцатого века. Был ли свет волной или частицей?

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою статью, объясняющую фотоэлектрический эффект, в которой предполагалось, что свет распространяется в виде дискретных пучков энергии. . Энергия, содержащаяся в фотоне, была связана с частотой света. Эта теория стала известна как фотонная теория света (хотя слово «фотон» появилось несколько лет спустя).

С фотонами эфир был больше не является важным средством распространения, хотя по-прежнему остается странный парадокс того, почему наблюдается поведение волн. Еще более своеобразными были квантовые вариации эксперимента с двойной щелью и эффект Комптона, которые, казалось, подтверждали интерпретацию частиц..

По мере проведения экспериментов и накопления доказательств их последствия быстро стали ясными и тревожными:

Свет действует как частица и волна, в зависимости от того, как проводится эксперимент и когда проводятся наблюдения.

Дуальность волна-частица в материи

Вопрос о том, проявляется ли такая двойственность и в материи, был решен смелой гипотезой де Бройля, которая расширила работу Эйнштейна, связав наблюдаемую длину волны материи с ее импульсом. Эксперименты подтвердили эту гипотезу в 1927 году, в результате чего де Бройлю в 1929 году была присуждена Нобелевская премия.

Как и свет, казалось, что материя проявляет как волновые, так и частичные свойства при воздействии правильные обстоятельства. Очевидно, что массивные объекты излучают очень малые длины волн, на самом деле настолько малые, что бессмысленно думать о них как о волнах. Но для небольших объектов длина волны может быть заметной и значимой, о чем свидетельствует эксперимент с двумя щелями с электронами.

Значение дуальности волна-частица

Главное значение дуальности волна-частица состоит в том, что все поведение света и материи можно объяснить с помощью дифференциального уравнения, которое представляет волновую функцию, обычно в форме уравнения Шредингера. Эта способность описывать реальность в форме волн лежит в основе квантовой механики.

Наиболее распространенная интерпретация состоит в том, что волновая функция представляет собой вероятность обнаружения данная частица в данной точке. Эти вероятностные уравнения могут дифрагировать, интерферировать и проявлять другие волновые свойства, что приводит к окончательной вероятностной волновой функции, которая также проявляет эти свойства. Частицы в конечном итоге распределяются по законам вероятности и, следовательно, проявляют волновые свойства. Другими словами, вероятность того, что частица окажется в любом месте, является волной, но реальный физический вид этой частицы – нет.

Хотя математика, Хотя они и сложны, но позволяют делать точные прогнозы, физический смысл этих уравнений понять гораздо труднее. Попытка объяснить, что «на самом деле означает» дуализм волна-частица, является ключевым моментом дебатов в квантовой физике. Существует множество интерпретаций, пытающихся объяснить это, но все они связаны одним и тем же набором волновых уравнений … и, в конечном итоге, должны объяснять одни и те же экспериментальные наблюдения.

Отредактировала Энн Мари Хелменстин, доктор философии.

Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий