Kas ir viļņu-daļiņu dualitāte? Tā ir raksturīga fotoniem un citām subatomiskām daļiņām, kas noteiktos apstākļos uzvedas kā viļņi un citos kā daļiņas.
Viļņu-daļiņu matērijas un gaismas dualitāte ir svarīga kvantu mehānikas sastāvdaļa, jo tā vislabāk parāda faktu, ka ar tādiem jēdzieniem kā "viļņi" un "daļiņas", kas lieliski darbojas klasiskajā mehānikā, nepietiek, lai dažu kvantu objektu uzvedības skaidrojumi.
Gaismas divējāda daba ieguva atzinību fizikā pēc 1905. gada, kad Alberts Einšteins aprakstīja gaismas uzvedību, izmantojot fotonus, kas tika aprakstīti kā daļiņas. Tad Einšteins publicēja mazāk slaveno īpašo relativitātes teoriju, kurā gaismu raksturoja kā viļņu uzvedību.
Daļiņas, kurām ir divējāda uzvedība
Vislabākais ir viļņu-daļiņu dualitātes principsnovērota fotonu uzvedībā. Šie ir vieglākie un mazākie objekti, kuriem ir divējāda uzvedība. Starp lielākiem objektiem, piemēram, elementārdaļiņām, atomiem un pat molekulām, var novērot arī viļņu-daļiņu dualitātes elementus, taču lielāki objekti uzvedas kā ārkārtīgi īsi viļņi, tāpēc tos ir ļoti grūti novērot. Parasti ar klasiskajā mehānikā lietotajiem jēdzieniem pietiek, lai aprakstītu lielāku vai makroskopisku daļiņu uzvedību.
Viļņu-daļiņu dualitātes pierādījumi
Cilvēki ir domājuši par gaismas un matērijas dabu daudzus gadsimtus un pat tūkstošgades. Vēl salīdzinoši nesen fiziķi uzskatīja, ka gaismas un matērijas īpašībām jābūt nepārprotamām: gaisma var būt vai nu daļiņu straume, vai vilnis, tāpat kā matērija, kas sastāv no atsevišķām daļiņām, kas pilnībā atbilst Ņūtona mehānikas likumiem, vai arī ir nepārtraukts, neatdalāms medijs.
Sākotnēji, mūsdienās, populāra bija teorija par gaismas kā atsevišķu daļiņu plūsmas uzvedību, tas ir, korpuskulārā teorija. Pats Ņūtons pie tā pieturējās. Tomēr vēlākie fiziķi, piemēram, Haigenss, Fresnels un Maksvels, secināja, ka gaisma ir vilnis. Viņi skaidroja gaismas uzvedību ar elektromagnētiskā lauka svārstībām, un gaismas un matērijas mijiedarbība šajā gadījumā ietilpa klasiskās lauka teorijas skaidrojumā.
Tomēr divdesmitā gadsimta sākumā fiziķi saskārās ar faktu, ka ne pirmais, ne otrais izskaidrojums nevarējapilnībā aptver gaismas izturēšanās zonu dažādos apstākļos un mijiedarbībā.
Kopš tā laika daudzi eksperimenti ir pierādījuši dažu daļiņu uzvedības dualitāti. Tomēr kvantu objektu īpašību viļņu-daļiņu dualitātes parādīšanos un pieņemšanu īpaši ietekmēja pirmie, agrākie eksperimenti, kas pielika punktu debatēm par gaismas uzvedības būtību.
Fotoelektriskais efekts: gaisma sastāv no daļiņām
Fotoelektriskais efekts, saukts arī par fotoelektrisko efektu, ir gaismas (vai jebkura cita elektromagnētiskā starojuma) mijiedarbības process ar vielu, kā rezultātā gaismas daļiņu enerģija tiek pārnesta uz matērijas daļiņām. Fotoelektriskā efekta izpētes laikā fotoelektronu uzvedību nevarēja izskaidrot ar klasisko elektromagnētisko teoriju.
Heinrihs Hercs 1887. gadā atzīmēja, ka ultravioletās gaismas spīdēšana uz elektrodiem palielina to spēju radīt elektriskās dzirksteles. Einšteins 1905. gadā skaidroja fotoelektrisko efektu ar faktu, ka gaismu absorbē un izstaro noteiktas kvantu daļas, kuras viņš sākotnēji nosauca par gaismas kvantiem, bet pēc tam nosauca tos par fotoniem.
1921. gadā Roberta Millikena eksperiments apstiprināja Einšteina spriedumu un noveda pie tā, ka pēdējais saņēma Nobela prēmiju par fotoelektriskā efekta atklāšanu, bet pats Millikans saņēma Nobela prēmiju 1923. gadā par darbu pie elementārdaļiņām. un fotoelektriskā efekta izpēte.
Davisona-Džermera eksperiments: gaisma ir vilnis
Dāvisona pieredze – apstiprināja Germersde Broglie hipotēze par gaismas viļņu-daļiņu dualitāti un kalpoja par pamatu kvantu mehānikas likumu formulēšanai.
Abi fiziķi pētīja elektronu atstarošanos no niķeļa monokristāla. Uzstādīšana, kas atrodas vakuumā, sastāvēja no niķeļa monokristāla, kas slīpēts noteiktā leņķī. Monohromatisko elektronu stars tika virzīts tieši perpendikulāri griezuma plaknei.
Eksperimenti ir parādījuši, ka atstarošanas rezultātā elektroni tiek izkliedēti ļoti selektīvi, tas ir, visos atstarotajos staros, neatkarīgi no ātrumiem un leņķiem, tiek ievēroti intensitātes maksimumi un minimumi. Tādējādi Davisson un Germer eksperimentāli apstiprināja viļņu īpašību klātbūtni daļiņās.
1948. gadā padomju fiziķis V. A. Fabrikants eksperimentāli apstiprināja, ka viļņu funkcijas ir raksturīgas ne tikai elektronu plūsmai, bet arī katram elektronam atsevišķi.
Jung eksperiments ar divām spraugām
Tomasa Janga praktiskais eksperiments ar divām spraugām ir demonstrācija, ka gan gaismai, gan matērijai var būt gan viļņu, gan daļiņu īpašības.
Jung eksperiments praktiski parāda viļņu-daļiņu dualitātes būtību, neskatoties uz to, ka tas pirmo reizi tika veikts 19. gadsimta sākumā, pat pirms duālisma teorijas parādīšanās.
Eksperimenta būtība ir šāda: gaismas avots (piemēram, lāzera stars) tiek novirzīts uz plāksni, kurā tiek izveidoti divi paralēli sloti. Gaisma, kas iet caur spraugām, tiek atspoguļota ekrānā aiz plāksnes.
Gaismas viļņu raksturs izraisa gaismas viļņus, kas iet caur spraugām uzsamaisa, veidojot uz ekrāna gaišas un tumšas svītras, kas nenotiktu, ja gaisma darbotos tikai kā daļiņas. Tomēr ekrāns absorbē un atstaro gaismu, un fotoelektriskais efekts liecina par gaismas korpuskulāro raksturu.
Kas ir matērijas viļņu-daļiņu dualitāte?
Jautājumu par to, vai matērija var darboties tādā pašā dualitātē kā gaisma, de Broglie pievērsās. Viņam pieder drosmīga hipotēze, ka noteiktos apstākļos un atkarībā no eksperimenta ne tikai fotoni, bet arī elektroni var demonstrēt viļņu un daļiņu dualitāti. Broglie izstrādāja savu ideju par varbūtības viļņiem ne tikai gaismas fotoniem, bet arī makrodaļiņām 1924. gadā.
Kad hipotēze tika pierādīta, izmantojot Deivisona-Germera eksperimentu un atkārtojot Janga eksperimentu ar dubulto spraugu (ar elektroniem, nevis fotoniem), de Broglie saņēma Nobela prēmiju (1929).
Izrādās, ka atbilstošos apstākļos matērija var izturēties kā klasisks vilnis. Protams, lieli objekti rada tik īsus viļņus, ka nav jēgas tos novērot, bet mazāki objekti, piemēram, atomi vai pat molekulas, uzrāda jūtamu viļņa garumu, kas ir ļoti svarīgi kvantu mehānikai, kas praktiski ir būvēta uz viļņu funkcijām.
Viļņu-daļiņu dualitātes nozīme
Viļņu un daļiņu dualitātes jēdziena galvenā nozīme ir tāda, ka elektromagnētiskā starojuma un matērijas uzvedību var aprakstīt, izmantojot diferenciālvienādojumu,kas attēlo viļņu funkciju. Parasti tas ir Šrēdingera vienādojums. Kvantu mehānikas pamatā ir spēja aprakstīt realitāti, izmantojot viļņu funkcijas.
Visizplatītākā atbilde uz jautājumu par to, kas ir viļņu un daļiņu dualitāte, ir tāda, ka viļņu funkcija atspoguļo varbūtību atrast noteiktu daļiņu noteiktā vietā. Citiem vārdiem sakot, varbūtība, ka daļiņa atrodas paredzētā vietā, padara to par vilni, bet tās fiziskais izskats un forma nav.
Kas ir viļņu daļiņu dualitāte?
Kamēr matemātika, lai arī ārkārtīgi sarežģītā veidā, sniedz precīzas prognozes, pamatojoties uz diferenciālvienādojumiem, šo vienādojumu nozīmi kvantu fizikā ir daudz grūtāk saprast un izskaidrot. Mēģinājums izskaidrot, kas ir viļņu-daļiņu dualitāte, joprojām ir kvantu fizikas debašu centrā.
Viļņu-daļiņu dualitātes praktiskā nozīme slēpjas arī tajā, ka jebkuram fiziķim jāiemācās ļoti interesanti uztvert realitāti, kad adekvātai uztverei vairs nepietiek ar gandrīz jebkuru objektu domāšanu ierastajā veidā. no realitātes.
