Vad är våg-partikeldualitet? Det är en egenskap hos fotoner och andra subatomära partiklar som beter sig som vågor under vissa förhållanden och som partiklar under andra.
Våg-partikeldualitet av materia och ljus är en viktig del av kvantmekaniken, eftersom den bäst visar det faktum att sådana begrepp som "vågor" och "partiklar", som fungerar bra i klassisk mekanik, inte är tillräckligt för att förklaringar av beteendet hos vissa kvantobjekt.
Ljusets dubbla natur fick ett erkännande inom fysiken efter 1905, när Albert Einstein beskrev ljusets beteende med hjälp av fotoner, som beskrevs som partiklar. Sedan publicerade Einstein den mindre kända speciella relativitetsteorien, som beskrev ljus som vågbeteende.
Partiklar som uppvisar dubbelt beteende
Bäst av allt, principen om våg-partikeldualitetobserveras i beteendet hos fotoner. Dessa är de lättaste och minsta föremålen som uppvisar dubbelt beteende. Bland större föremål, såsom elementarpartiklar, atomer och till och med molekyler, kan element av våg-partikeldualitet också observeras, men större föremål beter sig som extremt korta vågor, så de är mycket svåra att observera. Vanligtvis är begreppen som används inom klassisk mekanik tillräckliga för att beskriva beteendet hos större eller makroskopiska partiklar.
Bevis på våg-partikeldualitet
Folk har tänkt på ljusets och materiens natur i många århundraden och till och med årtusenden. Fram till relativt nyligen trodde fysiker att ljusets och materiens egenskaper måste vara entydiga: ljus kan antingen vara en ström av partiklar eller en våg, precis som materia, antingen bestående av individuella partiklar som helt lyder lagarna i Newtons mekanik, eller vara en kontinuerligt, oskiljaktigt medium.
Inledningsvis, i modern tid, var teorin om ljusets beteende som en ström av individuella partiklar, det vill säga den korpuskulära teorin, populär. Newton själv höll fast vid det. Senare fysiker som Huygens, Fresnel och Maxwell drog dock slutsatsen att ljus är en våg. De förklarade ljusets beteende genom svängningen av det elektromagnetiska fältet, och samspelet mellan ljus och materia föll i detta fall under förklaringen av den klassiska fältteorin.
Men i början av 1900-talet ställdes fysiker inför det faktum att varken den första eller den andra förklaringen kundetäcker helt området med ljusbeteende under olika förhållanden och interaktioner.
Sedan dess har många experiment bevisat dubbelheten i beteendet hos vissa partiklar. Men utseendet och acceptansen av våg-partikeldualitet av egenskaperna hos kvantobjekt påverkades särskilt av de första, tidigaste experimenten, som satte stopp för debatten om karaktären av ljusets beteende.
Fotoelektrisk effekt: ljus består av partiklar
Den fotoelektriska effekten, även kallad den fotoelektriska effekten, är processen för växelverkan mellan ljus (eller annan elektromagnetisk strålning) med materia, som ett resultat av vilken energin från ljuspartiklar överförs till materiapartiklar. Under studiet av den fotoelektriska effekten kunde fotoelektronernas beteende inte förklaras av klassisk elektromagnetisk teori.
Heinrich Hertz noterade redan 1887 att lysande ultraviolett ljus på elektroder ökade deras förmåga att skapa elektriska gnistor. Einstein 1905 förklarade den fotoelektriska effekten med det faktum att ljus absorberas och emitteras av vissa kvantdelar, som han från början kallade ljuskvanta, och sedan kallade dem fotoner.
Ett experiment av Robert Milliken 1921 bekräftade Einsteins omdöme och ledde till att den senare fick Nobelpriset för upptäckten av den fotoelektriska effekten, och Millikan själv fick Nobelpriset 1923 för sitt arbete med elementarpartiklar och studiet av den fotoelektriska effekten.
Davisson-Jermer-experiment: ljus är en våg
Davissons erfarenhet - Germer bekräftadede Broglies hypotes om ljusets våg-partikeldualitet och fungerade som grund för att formulera kvantmekanikens lagar.
Båda fysikerna studerade reflektionen av elektroner från en enkristall av nickel. Uppställningen, belägen i ett vakuum, bestod av en nickel enkristall slipad i en viss vinkel. En stråle av monokromatiska elektroner riktades direkt vinkelrätt mot det skurna planet.
Experiment har visat att elektroner som ett resultat av reflektion sprids mycket selektivt, det vill säga i alla reflekterade strålar, oavsett hastigheter och vinklar, observeras maxima och minima för intensitet. Sålunda bekräftade Davisson och Germer experimentellt förekomsten av vågegenskaper i partiklar.
År 1948 bekräftade den sovjetiske fysikern V. A. Fabrikant experimentellt att vågfunktioner är inneboende inte bara i flödet av elektroner utan även i varje elektron separat.
Jungs experiment med två skåror
Thomas Youngs praktiska experiment med två slitsar är en demonstration av att både ljus och materia kan uppvisa egenskaperna hos både vågor och partiklar.
Jungs experiment demonstrerar praktiskt taget karaktären av våg-partikeldualitet, trots att det först genomfördes i början av 1800-talet, även innan dualismteorin kom.
Experimentets kärna är följande: en ljuskälla (till exempel en laserstråle) riktas mot en platta där två parallella slitsar görs. Ljus som passerar genom slitsarna reflekteras på skärmen bakom plattan.
Ljusets vågnatur gör att ljusvågor som passerar genom slitsarblanda och producera ljusa och mörka ränder på skärmen, vilket inte skulle hända om ljus betedde sig som partiklar. Men skärmen absorberar och reflekterar ljus, och den fotoelektriska effekten är ett bevis på ljusets korpuskulära natur.
Vad är våg-partikeldualitet av materia?
Frågan om materia kan bete sig i samma dualitet som ljus, tog de Broglie upp. Han äger en djärv hypotes att, under vissa förhållanden och beroende på experimentet, inte bara fotoner utan även elektroner kan visa våg-partikeldualitet. Broglie utvecklade sin idé om sannolikhetsvågor, inte bara för fotoner av ljus, utan också av makropartiklar 1924.
När hypotesen bevisades med Davisson-Germer-experimentet och upprepande av Youngs dubbelslitsexperiment (med elektroner istället för fotoner), fick de Broglie Nobelpriset (1929).
Det visar sig att materia också kan bete sig som en klassisk våg under rätt omständigheter. Naturligtvis skapar stora föremål vågor så korta att det är meningslöst att observera dem, men mindre föremål, som atomer eller till och med molekyler, uppvisar en märkbar våglängd, vilket är mycket viktigt för kvantmekaniken, som praktiskt taget bygger på vågfunktioner.
Betydningen av våg-partikeldualitet
Den huvudsakliga innebörden av begreppet våg-partikeldualitet är att beteendet hos elektromagnetisk strålning och materia kan beskrivas med hjälp av en differentialekvation,som representerar vågfunktionen. Vanligtvis är detta Schrödinger-ekvationen. Förmågan att beskriva verkligheten med hjälp av vågfunktioner är kärnan i kvantmekaniken.
Det vanligaste svaret på frågan om vad våg-partikeldualitet är är att vågfunktionen representerar sannolikheten att hitta en viss partikel på en viss plats. Med andra ord, sannolikheten för att en partikel befinner sig på en förutspådd plats gör den till en våg, men dess fysiska utseende och form är det inte.
Vad är våg-partikeldualitet?
Medan matematik, om än på ett extremt komplext sätt, gör korrekta förutsägelser baserade på differentialekvationer, är betydelsen av dessa ekvationer för kvantfysik mycket svårare att förstå och förklara. Ett försök att förklara vad våg-partikeldualitet är står fortfarande i centrum för debatten inom kvantfysiken.
Den praktiska betydelsen av våg-partikeldualitet ligger också i det faktum att varje fysiker måste lära sig att uppfatta verkligheten på ett mycket intressant sätt, när det inte längre räcker att tänka på nästan vilket föremål som helst på vanligt sätt för en adekvat uppfattning. av verkligheten.
