Dvojnost delcev valov in kako deluje

Načelo dvojnosti valovnih delcev za kvantna fizika drži, da snov in svetloba kažeta obnašanje valov in delcev, odvisno od okoliščin eksperimenta. Je zapletena tema, vendar med fizikami najbolj intrigantna.

V 1600. letih Christiaan Huygens in Isaac Newton predlagane konkurenčne teorije za vedenje svetlobe. Huygens je predlagal valovno teorijo svetlobe, medtem ko je bila Newtonova "korpuskularna" (delčka) teorija svetlobe. Huygenska teorija je imela nekaj težav pri usklajevanju opazovanja in Newtonov prestiž je pomagal podpirati njegovo teorijo, tako da je več kot stoletje prevladovala Newtonova teorija.

V začetku devetnajstega stoletja so se pojavili zapleti za korpuskularno teorijo svetlobe. Difrakcija so bili opaženi zaradi ene stvari, ki jo je težko razložil. Poizkus z dvojno režo Thomas Young povzročila je očitno vedenje valov in zdelo se je, da trdno podpira valovno teorijo svetlobe nad Newtonovo teorijo o delcih.

Val se mora na splošno širiti skozi neke vrste medij. Medij, ki ga je predlagal Huygens, je bil

Težava z valovno teorijo je bila, da takega etra še nikoli niso našli. Ne samo to, ampak astronomska opazovanja zvezdnega odklona Jamesa Bradleya iz leta 1720 so nakazovala, da bi moral eter miriti glede na gibljivo Zemljo. V 1800-ih letih so poskušali neposredno zaznati eter ali njegovo gibanje, vrhunec pa je bil znan Michelson-Morleyjev eksperiment. Vsi niso dejansko zaznali etra, kar je povzročilo veliko razpravo, ko se je začelo dvajseto stoletje. Je bil svetloba val ali delček?

Leta 1905 je dr. Albert Einstein objavil svoj prispevek, da bi pojasnil fotoelektrični učinek, ki je predlagal, da bi svetloba potovala kot diskretni svežnja energije. Energija, ki jo vsebuje foton, je bila povezana s frekvenco svetlobe. Ta teorija je postala znana kot fotonska teorija svetlobe (čeprav beseda foton ni bila skovana šele leta kasneje).

Pri fotonih eter ni bil več bistven kot sredstvo za širjenje, čeprav je še vedno pustil nenavaden paradoks, zakaj je bilo opaziti vedenje valov. Še bolj značilne so bile kvantne variacije eksperimenta z dvojno režo in Compton učinek za katero se je zdelo, da potrjuje razlago delcev.

Ko so bili izvedeni poskusi in so se zbirali dokazi, so posledice hitro postale jasne in zaskrbljujoče:

Svetloba deluje kot delček in val, odvisno od načina izvedbe poskusa in opazovanja.

Vprašanja, ali se je takšna dvojnost izkazala tudi v materiji, so se lotili drznega de Brogliejeva hipoteza, ki je Einsteinovo delo razširilo na povezavo opazovane valovne dolžine materije z njenim zagonom. Poskusi so potrdili hipotezo leta 1927, zaradi česar je bila leta 1929 Nobelova nagrada za de Broglie.

Tako kot svetloba se je tudi zdelo, da snov v pravih okoliščinah kaže lastnosti valov in delcev. Očitno imajo masivni predmeti zelo majhne valovne dolžine, tako majhne v resnici, da je o njih nesmiselno razmišljati na valovit način. Toda pri majhnih objektih je lahko valovna dolžina opazna in pomembna, kar dokazuje eksperiment z dvojnimi režami z elektroni.

Glavni pomen dvojnosti valovnih delcev je, da je lahko vse vedenje svetlobe in materije razloženo z uporabo diferencialne enačbe, ki predstavlja valovno funkcijo, običajno v obliki od Schrodingerjeva enačba. Ta sposobnost opisovanja realnosti v obliki valov je v središču kvantne mehanike.

Najpogostejša razlaga je, da valovna funkcija predstavlja verjetnost iskanja določenega delca v določeni točki. Te enačbe verjetnosti lahko razpršijo, motijo ​​in kažejo druge lastnosti, podobne valom, kar ima za posledico končno verjetnostno valovno funkcijo, ki kaže tudi te lastnosti. Delci se na koncu porazdelijo po zakonih verjetnosti in so zato razvidni valovne lastnosti. Z drugimi besedami, verjetnost, da se delček nahaja na kateri koli lokaciji, je val, vendar dejanski videz tega delca ni.

Medtem ko matematika, čeprav je zapletena, natančno napoveduje, je fizični pomen teh enačb veliko težje dojeti. Poskus razlage, kaj dejansko pomeni dvojnost valovnih delcev, je ključna točka razprave v kvantni fiziki. Obstajajo številne interpretacije, da bi to poskušali razložiti, vendar jih vse zavezuje isti nabor valovnih enačb... in na koncu mora razložiti enaka eksperimentalna opažanja.

Uredil Anne Marie Helmenstine, dr.