Wave Duality σωματιδίων και πώς λειτουργεί

Η αρχή της δυαδικότητας του κύματος-σωματιδίου του κβαντική φυσική υποστηρίζει ότι η ύλη και το φως δείχνουν τις συμπεριφορές τόσο των κυμάτων όσο και των σωματιδίων, ανάλογα με τις συνθήκες του πειράματος. Είναι ένα σύνθετο θέμα, αλλά μεταξύ των πιο ενδιαφερόντων στη φυσική.

Στη δεκαετία του 1600, Christiaan Huygens και Ισαάκ Νιούτον προτεινόμενες ανταγωνιστικές θεωρίες για τη συμπεριφορά του φωτός. Ο Huygens πρότεινε μια θεωρία του φωτός κύματος, ενώ ο Νεύτωνας ήταν μια «σωματιδιακή» (σωματιδιακή) θεωρία του φωτός. Η θεωρία του Huygens είχε κάποια ζητήματα στην ταύτιση της παρατήρησης και το κύρος του Νεύτωνα βοήθησε να υποστηρίξει τη θεωρία του έτσι, για πάνω από έναν αιώνα, η θεωρία του Νεύτωνα ήταν κυρίαρχη.

Στις αρχές του δέκατου ένατου αιώνα προέκυψαν επιπλοκές για την σωματο-δομική θεωρία του φωτός. Περίθλαση είχε παρατηρηθεί, για ένα πράγμα, το οποίο είχε πρόβλημα να εξηγήσει επαρκώς. Το πείραμα διπλού σχισίματος του Thomas Young

Ένα κύμα γενικά πρέπει να διαδώσει μέσω ενός μέσου κάποιου είδους. Το μέσο που πρότεινε ο Huygens ήταν φωτεινό αιθέρα (ή σε πιο κοινή σύγχρονη ορολογία, αιθέρας). Πότε James Clerk Maxwell ποσοτικοποίησε ένα σύνολο εξισώσεων (που ονομάζεται Οι νόμοι του Maxwell ή Τις εξισώσεις Maxwell) για να εξηγήσει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (συμπεριλαμβανομένου ορατό φως) ως η διάδοση των κυμάτων, ανέλαβε έναν τέτοιο αιθέρα ως μέσο διάδοσης και οι προβλέψεις του ήταν σύμφωνες με τα πειραματικά αποτελέσματα.

Το πρόβλημα με την θεωρία των κυμάτων ήταν ότι δεν υπήρχε ποτέ τέτοιος αιθέρας. Όχι μόνο αυτό, αλλά οι αστρονομικές παρατηρήσεις σε αστρική απόκλιση από τον James Bradley το 1720 είχαν δείξει ότι ο αιθέρας θα έπρεπε να είναι σταθερός σε σχέση με μια κινούμενη Γη. Καθ 'όλη τη δεκαετία του 1800, έγιναν προσπάθειες ανίχνευσης του αιθέρα ή της κίνησης του άμεσα, με αποκορύφωμα το διάσημο Michelson-Morley πείραμα. Όλοι δεν κατάφεραν πραγματικά να ανιχνεύσουν τον αιθέρα, με αποτέλεσμα μια τεράστια συζήτηση, όπως ξεκίνησε ο εικοστός αιώνας. Ήταν ένα φως ένα κύμα ή ένα σωματίδιο;

Το 1905, Albert Einstein δημοσίευσε το έγγραφό του για να εξηγήσει φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η οποία πρότεινε ότι το φως ταξίδεψε ως διακριτές δεσμίδες ενέργειας. Η ενέργεια που περιέχεται στο φωτόνιο σχετίζεται με τη συχνότητα του φωτός. Αυτή η θεωρία έγινε γνωστή ως η θεωρία φωτονίων του φωτός (αν και η λέξη φωτόνιο δεν δημιουργήθηκε μέχρι χρόνια αργότερα).

Με τα φωτόνια, ο αιθέρας δεν ήταν πια απαραίτητος ως μέσο διάδοσης, αν και άφησε ακόμα το περίεργο παράδοξο του γιατί παρατηρήθηκε συμπεριφορά κυμάτων. Ακόμη πιο περίεργες ήταν οι κβαντικές παραλλαγές του πειράματος διπλής σχισμής και του Εφέ Compton που φάνηκε να επιβεβαιώνει την ερμηνεία των σωματιδίων.

Καθώς πραγματοποιήθηκαν πειράματα και συγκεντρώθηκαν αποδείξεις, οι συνέπειες έγιναν γρήγορα σαφείς και ανησυχητικές:

Το φως λειτουργεί τόσο ως σωματίδιο όσο και ως κύμα, ανάλογα με τον τρόπο διεξαγωγής του πειράματος και τη λήψη παρατηρήσεων.

Το ζήτημα του κατά πόσο αυτή η δυαδικότητα εμφανίστηκε επίσης στην ύλη αντιμετωπίστηκε από το τολμηρό de Broglie υπόθεση, η οποία επέκτεινε το έργο του Αϊνστάιν να συσχετίσει το παρατηρούμενο μήκος κύματος της ύλης με την ορμή της. Τα πειράματα επιβεβαίωσαν την υπόθεση το 1927, με αποτέλεσμα το βραβείο Νόμπελ του 1929 για το 1929 de Broglie.

Ακριβώς όπως το φως, φάνηκε ότι η ύλη εμφάνιζε τόσο ιδιότητες κύματος όσο και σωματιδίων κάτω από τις σωστές συνθήκες. Προφανώς, τα τεράστια αντικείμενα εμφανίζουν πολύ μικρά μήκη κύματος, τόσο μικρά στην πραγματικότητα ότι είναι μάλλον άσκοπο να τα σκεφτόμαστε με κύμα. Αλλά για μικρά αντικείμενα, το μήκος κύματος μπορεί να είναι παρατηρήσιμο και σημαντικό, όπως επιβεβαιώνεται από το πείραμα διπλής σχισμής με ηλεκτρόνια.

Η μεγάλη σημασία της δυαδικότητας των κυμάτων-σωματιδίων είναι ότι μπορεί να είναι όλη η συμπεριφορά του φωτός και της ύλης εξηγείται μέσω της χρήσης μιας διαφορικής εξίσωσης η οποία αντιπροσωπεύει μια λειτουργία κύματος, γενικά στη μορφή απο Εξίσωση Schrodinger. Αυτή η ικανότητα περιγραφής της πραγματικότητας υπό μορφή κυμάτων βρίσκεται στην καρδιά της κβαντικής μηχανικής.

Η πιο συνηθισμένη ερμηνεία είναι ότι η συνάρτηση κύματος αντιπροσωπεύει την πιθανότητα εύρεσης ενός συγκεκριμένου σωματιδίου σε ένα δεδομένο σημείο. Αυτές οι εξισώσεις πιθανότητας μπορούν να διαθλώσουν, να παρεμβαίνουν και να εμφανίζουν άλλες ιδιότητες που μοιάζουν με κύμα, με αποτέλεσμα μια τελική πιθανολογική λειτουργία κύματος που εμφανίζει αυτές τις ιδιότητες επίσης. Τα σωματίδια καταλήγουν κατανεμημένα σύμφωνα με τους νόμους πιθανότητας και ως εκ τούτου παρουσιάζουν το κυματικές ιδιότητες. Με άλλα λόγια, η πιθανότητα ενός σωματιδίου να βρίσκεται σε οποιαδήποτε θέση είναι ένα κύμα, αλλά η πραγματική φυσική εμφάνιση αυτού του σωματιδίου δεν είναι.

Ενώ τα μαθηματικά, αν και περίπλοκα, κάνουν ακριβείς προβλέψεις, το φυσικό νόημα αυτών των εξισώσεων είναι πολύ πιο δύσκολο να κατανοηθεί. Η προσπάθεια να εξηγηθεί τι σημαίνει στην πραγματικότητα η δυαδικότητα των κυμάτων-σωματιδίων είναι ένα βασικό σημείο συζήτησης στην κβαντική φυσική. Υπάρχουν πολλές ερμηνείες για να προσπαθήσουμε να το εξηγήσουμε αυτό, αλλά όλοι δεσμεύονται από το ίδιο σύνολο κυματικών εξισώσεων... και, τελικά, πρέπει να εξηγήσει τις ίδιες πειραματικές παρατηρήσεις.

Επεξεργάστηκε από Anne Marie Helmenstine, Ph. D.