Mis on laine-osakeste duaalsus? See on iseloomulik footonitele ja teistele subatomaarsetele osakestele, mis teatud tingimustes käituvad lainetena ja teistes nagu osakesed.
Aine ja valguse laine-osakeste duaalsus on kvantmehaanika oluline osa, sest see näitab kõige paremini tõsiasja, et sellistest mõistetest nagu "lained" ja "osakesed", mis klassikalises mehaanikas hästi töötavad, ei piisa mõnede kvantobjektide käitumise selgitused.
Valguse kahetine olemus leidis füüsikas tunnustust pärast 1905. aastat, kui Albert Einstein kirjeldas valguse käitumist osakestena kirjeldatud footonite abil. Seejärel avaldas Einstein vähem kuulsa erirelatiivsusteooria, mis kirjeldas valgust kui lainekäitumist.
Kahesuguse käitumisega osakesed
Kõige parem on laine-osakeste duaalsuse põhimõtetäheldatud footonite käitumises. Need on kõige kergemad ja väikseimad objektid, millel on kahetine käitumine. Suuremate objektide, nagu elementaarosakesed, aatomid ja isegi molekulid, hulgas võib täheldada ka laine-osakeste duaalsuse elemente, kuid suuremad objektid käituvad ülilühikeste lainetena, mistõttu on neid väga raske jälgida. Tavaliselt piisab suuremate või makroskoopiliste osakeste käitumise kirjeldamiseks klassikalises mehaanikas kasutatavatest mõistetest.
Tõendid laine-osakeste duaalsusest
Inimesed on valguse ja mateeria olemusele mõelnud palju sajandeid ja isegi aastatuhandeid. Kuni suhteliselt hiljuti arvasid füüsikud, et valguse ja aine omadused peavad olema üheselt mõistetavad: valgus võib olla kas osakeste voog või laine, täpselt nagu aine, mis koosneb kas üksikutest osakestest, mis järgivad täielikult Newtoni mehaanika seadusi, või on pidev, lahutamatu meedium.
Algselt, uusajal, oli populaarne teooria valguse käitumise kohta üksikute osakeste voona, see tähendab korpuskulaarteooria. Newton ise pidas sellest kinni. Hilisemad füüsikud nagu Huygens, Fresnel ja Maxwell jõudsid aga järeldusele, et valgus on laine. Nad selgitasid valguse käitumist elektromagnetvälja võnkumisega ning valguse ja aine vastastikmõju kuulus sel juhul klassikalise väljateooria seletuse alla.
Kuid kahekümnenda sajandi alguses seisid füüsikud silmitsi tõsiasjaga, et ei esimene ega teine seletuskatma täielikult valguse käitumise ala erinevates tingimustes ja interaktsioonides.
Sellest ajast alates on arvukad katsed tõestanud mõnede osakeste käitumise duaalsust. Kvantobjektide omaduste laine-osakeste duaalsuse ilmnemist ja aktsepteerimist mõjutasid aga eriti esimesed, kõige varasemad katsed, mis tegid lõpu arutelule valguse käitumise olemuse üle.
Fotoelektriline efekt: valgus koosneb osakestest
Fotoelektriline efekt, mida nimetatakse ka fotoelektriliseks efektiks, on valguse (või mõne muu elektromagnetilise kiirguse) ja aine vastasmõju protsess, mille tulemusena kandub valgusosakeste energia aineosakestele. Fotoelektrilise efekti uurimisel ei saanud fotoelektronide käitumist seletada klassikalise elektromagnetiteooriaga.
Heinrich Hertz märkis juba 1887. aastal, et ultraviolettvalgus elektroodidele suurendas nende võimet tekitada elektrilisi sädemeid. Einstein selgitas 1905. aastal fotoelektrilist efekti asjaoluga, et valgust neelavad ja kiirgavad teatud kvantosad, mida ta alguses nimetas valguskvantideks ja seejärel nimetas need footoniteks.
Robert Millikeni eksperiment 1921. aastal kinnitas Einsteini otsust ja viis selleni, et viimane sai Nobeli preemia fotoelektrilise efekti avastamise eest ja Millikan ise sai 1923. aastal Nobeli preemia elementaarosakeste alal tehtud töö eest. ja fotoelektrilise efekti uurimine.
Davisson-Jermeri eksperiment: valgus on laine
Davissoni kogemus – kinnitas Germerde Broglie hüpotees valguse laine-osakeste duaalsuse kohta ja oli aluseks kvantmehaanika seaduste sõnastamisele.
Mõlemad füüsikud uurisid elektronide peegeldumist nikli monokristallilt. Vaakumis asuv seadistus koosnes teatud nurga all jahvatatud niklist monokristallist. Monokromaatsete elektronide kiir oli suunatud lõiketasandiga otse risti.
Katsed on näidanud, et peegelduse tulemusena hajuvad elektronid väga selektiivselt ehk kõikides peegeldunud kiirtes jälgitakse sõltumata kiirustest ja nurkadest intensiivsuse maksimume ja miinimume. Seega kinnitasid Davisson ja Germer eksperimentaalselt osakeste laineomaduste olemasolu.
Nõukogude füüsik V. A. Fabrikant kinnitas 1948. aastal eksperimentaalselt, et lainefunktsioonid on omased mitte ainult elektronide voolule, vaid ka igale elektronile eraldi.
Jungi katse kahe piluga
Thomas Youngi praktiline katse kahe piluga demonstreerib, et nii valgusel kui ainel võivad olla nii lainete kui ka osakeste omadused.
Jungi eksperiment demonstreerib praktiliselt laine-osakeste duaalsuse olemust, hoolimata sellest, et see viidi esmakordselt läbi 19. sajandi alguses, isegi enne dualismi teooria tulekut.
Katse olemus on järgmine: valgusallikas (näiteks laserkiir) suunatakse plaadile, kuhu tehakse kaks paralleelset pilu. Pilusid läbiv valgus peegeldub plaadi taga oleval ekraanil.
Valguse laineline olemus põhjustab valguslaineid, mis läbivad pilusid kunisegada, tekitades ekraanile heledaid ja tumedaid triipe, mida ei juhtuks, kui valgus käituks puht alt osakestena. Kuid ekraan neelab ja peegeldab valgust ning fotoelektriline efekt on tõend valguse korpuskulaarsest olemusest.
Mis on aine laine-osakeste duaalsus?
Küsimus, kas mateeria võib käituda valgusega samas duaalsuses, võttis de Broglie üles. Tal on julge hüpotees, et teatud tingimustel ja olenev alt katsest võivad mitte ainult footonid, vaid ka elektronid demonstreerida laine-osakeste duaalsust. Broglie arendas oma idee mitte ainult valguse footonite, vaid ka makroosakeste tõenäosuslainete kohta 1924. aastal.
Kui hüpotees tõestati Davissoni-Germeri katse ja Youngi topeltpilu katset korrates (footonite asemel elektronidega), sai de Broglie Nobeli preemia (1929).
Selgub, et ka mateeria võib õigetes tingimustes käituda nagu klassikaline laine. Muidugi tekitavad suured objektid nii lühikesi laineid, et nende jälgimine on mõttetu, kuid väiksematel objektidel, näiteks aatomitel või isegi molekulidel, on märgatav lainepikkus, mis on praktiliselt lainefunktsioonidele üles ehitatud kvantmehaanika jaoks väga oluline.
Laine-osakeste duaalsuse tähendus
Laine-osakeste duaalsuse mõiste peamine tähendus seisneb selles, et elektromagnetilise kiirguse ja aine käitumist saab kirjeldada diferentsiaalvõrrandi abil,mis esindab lainefunktsiooni. Tavaliselt on selleks Schrödingeri võrrand. Võimalus kirjeldada reaalsust lainefunktsioonide abil on kvantmehaanika keskmes.
Kõige levinum vastus küsimusele, mis on laine-osakeste duaalsus, on see, et lainefunktsioon esindab tõenäosust leida teatud osake teatud kohas. Teisisõnu, tõenäosus, et osake on ennustatud asukohas, muudab selle laineks, kuid selle füüsiline välimus ja kuju mitte.
Mis on laine-osakeste duaalsus?
Kuigi matemaatika teeb diferentsiaalvõrrandite põhjal täpseid ennustusi, ehkki äärmiselt keerulisel viisil, siis nende võrrandite tähendust kvantfüüsika jaoks on palju raskem mõista ja seletada. Katse selgitada, mis on laine-osakeste duaalsus, on endiselt kvantfüüsika arutelu keskmes.
Laine-osakeste duaalsuse praktiline tähendus seisneb ka selles, et iga füüsik peab õppima reaalsust tajuma väga huvitaval viisil, kui adekvaatse tajumise jaoks ei piisa enam peaaegu iga objekti kohta tavapärasel viisil mõtlemisest. tegelikkusest.
