Dualita vlnových častíc a ako to funguje

Duncan1890 / Getty Images

Princíp duality vlny a častíc kvantová fyzika tvrdí, že hmota a svetlo vykazujú správanie sa vĺn aj častíc v závislosti od okolností experimentu. Je to zložitá téma, ale patrí medzi najzaujímavejšie vo fyzike.

Dualita vlny a častíc vo svetle

V roku 1600 Christiaan Huygens a Isaac Newton navrhol konkurenčné teórie pre správanie svetla. Huygens navrhol vlnovú teóriu svetla, zatiaľ čo Newtonova bola „korpuskulárna“ (časticová) teória svetla. Huygensova teória mala určité problémy pri porovnávaní pozorovaní a Newtonova prestíž pomohla podporiť jeho teóriu, takže po viac ako storočie bola Newtonova teória dominantná.

Začiatkom devätnásteho storočia nastali komplikácie pre korpuskulárnu teóriu svetla. Difrakcia bolo pozorované, po prvé, čo malo problém adekvátne vysvetliť. Dvojštrbinový experiment Thomasa Younga viedlo k zjavnému vlnovému správaniu a zdalo sa, že pevne podporuje vlnovú teóriu svetla pred Newtonovou teóriou častíc.

Vlna sa vo všeobecnosti musí šíriť cez médium nejakého druhu. Médium navrhnuté Huygensom bolo svietiaci éter (alebo v bežnejšej modernej terminológii, éter ). Kedy James Clerk Maxwell kvantifikovali súbor rovníc (tzv Maxwellove zákony alebo Maxwellove rovnice ) vysvetliť elektromagnetická radiácia (počítajúc do toho viditeľné svetlo ) ako šírenie vĺn predpokladal práve taký éter ako médium šírenia a jeho predpovede boli v súlade s experimentálnymi výsledkami.

Problém s vlnovou teóriou bol v tom, že žiadny takýto éter sa nikdy nenašiel. Nielen to, ale aj astronomické pozorovania hviezdnej aberácie od Jamesa Bradleyho v roku 1720 naznačili, že éter by musel byť vzhľadom k pohybujúcej sa Zemi nehybný. Počas 19. storočia sa robili pokusy odhaliť éter alebo jeho pohyb priamo, čo vyvrcholilo slávnou Michelsonov-Morleyho experiment . Všetci nedokázali skutočne odhaliť éter, čo viedlo k obrovskej diskusii na začiatku dvadsiateho storočia. Bolo svetlo vlnou alebo časticou?

V roku 1905 Albert Einstein publikoval svoj príspevok, aby vysvetlil fotoelektrický efekt , ktorý navrhol, že svetlo sa šíri ako samostatné zväzky energie. Energia obsiahnutá vo fotóne súvisela s frekvenciou svetla. Táto teória sa stala známou ako fotónová teória svetla (hoci slovo fotón vzniklo až po rokoch).

Pri fotónoch už éter nebol nevyhnutný ako prostriedok šírenia, aj keď stále zostával zvláštny paradox, prečo bolo pozorované vlnové správanie. Ešte zvláštnejšie boli kvantové variácie experimentu s dvojitou štrbinou a Comptonov efekt ktorý akoby potvrdzoval časticovú interpretáciu.

Keď sa uskutočnili experimenty a nahromadili sa dôkazy, dôsledky sa rýchlo stali jasnými a alarmujúcimi:

Svetlo funguje ako častica aj ako vlna v závislosti od toho, ako sa experiment vykonáva a kedy sa vykonávajú pozorovania.

Dualita vlny a častíc v hmote

Otázkou, či sa takáto dualita prejavila aj v hmote, sa zaoberali smelí de Broglieho hypotéza , ktorý rozšíril Einsteinovu prácu o vzťah medzi pozorovanou vlnovou dĺžkou hmoty a jej hybnosťou. Experimenty potvrdili hypotézu v roku 1927, výsledkom čoho bola v roku 1929 Nobelova cena za z Broglie .

Rovnako ako svetlo sa zdalo, že hmota za správnych okolností vykazuje vlnové aj časticové vlastnosti. Je zrejmé, že masívne objekty vykazujú veľmi malé vlnové dĺžky, v skutočnosti také malé, že je dosť zbytočné uvažovať o nich vlnovým spôsobom. Ale pre malé objekty môže byť vlnová dĺžka pozorovateľná a významná, čo dokazuje experiment s dvojitou štrbinou s elektrónmi.

Význam vlnovo-časticovej duality

Hlavný význam duality vlny a častíc spočíva v tom, že všetko správanie svetla a hmoty možno vysvetliť pomocou diferenciálnej rovnice, ktorá predstavuje vlnovú funkciu, vo všeobecnosti vo forme Schrodingerova rovnica . Táto schopnosť opísať realitu vo forme vĺn je jadrom kvantovej mechaniky.

Najbežnejšia interpretácia je, že vlnová funkcia predstavuje pravdepodobnosť nájdenia danej častice v danom bode. Tieto pravdepodobnostné rovnice sa môžu difraktovať, interferovať a vykazovať iné vlnové vlastnosti, čo vedie ku konečnej pravdepodobnostnej vlnovej funkcii, ktorá tiež vykazuje tieto vlastnosti. Častice skončia rozdelené podľa zákonov pravdepodobnosti, a preto vykazujú vlnové vlastnosti . Inými slovami, pravdepodobnosť, že sa častica nachádza na akomkoľvek mieste, je vlna, ale skutočný fyzický vzhľad tejto častice nie je.

Zatiaľ čo matematika, aj keď je komplikovaná, robí presné predpovede, fyzikálny význam týchto rovníc je oveľa ťažšie pochopiť. Pokus vysvetliť, čo „v skutočnosti znamená“ dualita vlny a častíc, je kľúčovým bodom diskusie v kvantovej fyzike. Existuje mnoho interpretácií, ktoré sa to snažia vysvetliť, ale všetky sú viazané rovnakým súborom vlnových rovníc... a v konečnom dôsledku musia vysvetľovať rovnaké experimentálne pozorovania.

UpravilAnne Marie Helmenstine, Ph.D.