Co je to dualita vlny a částic? Je to charakteristika fotonů a dalších subatomárních částic, které se za určitých podmínek chovají jako vlny a za jiných jako částice.
Vlnovo-částicová dualita hmoty a světla je důležitou součástí kvantové mechaniky, protože nejlépe demonstruje skutečnost, že takové pojmy jako „vlny“a „částice“, které fungují dobře v klasické mechanice, nestačí vysvětlení chování některých kvantových objektů.
Duální povaha světla získala uznání ve fyzice po roce 1905, kdy Albert Einstein popsal chování světla pomocí fotonů, které byly popsány jako částice. Poté Einstein publikoval méně slavnou speciální teorii relativity, která popisovala světlo jako vlnové chování.
Částice vykazující dvojí chování
Nejlepší ze všeho je princip duality vlny a částicpozorované v chování fotonů. Jedná se o nejlehčí a nejmenší objekty vykazující dvojí chování. Mezi většími objekty, jako jsou elementární částice, atomy a dokonce i molekuly, lze také pozorovat prvky vlnově-částicové duality, ale větší objekty se chovají jako extrémně krátké vlny, takže je velmi obtížné je pozorovat. Obvykle jsou pojmy používané v klasické mechanice dostatečné k popisu chování větších nebo makroskopických částic.
Důkaz duality vlny a částic
Lidé přemýšleli o povaze světla a hmoty po mnoho staletí a dokonce tisíciletí. Ještě relativně nedávno se fyzici domnívali, že vlastnosti světla a hmoty musí být jednoznačné: světlo může být buď proud částic, nebo vlna, stejně jako hmota, buď sestávající z jednotlivých částic, které se zcela řídí zákony newtonovské mechaniky, nebo může být spojité, neoddělitelné médium.
Zpočátku, v moderní době, byla populární teorie o chování světla jako proudu jednotlivých částic, tedy korpuskulární teorie. Sám Newton se toho držel. Pozdější fyzici jako Huygens, Fresnel a Maxwell však dospěli k závěru, že světlo je vlna. Chování světla vysvětlili oscilací elektromagnetického pole a interakce světla a hmoty v tomto případě spadala pod vysvětlení klasické teorie pole.
Na začátku dvacátého století však fyzici čelili skutečnosti, že ani první ani druhé vysvětlení nedokázalozcela pokrýt oblast chování světla za různých podmínek a interakcí.
Od té doby četné experimenty prokázaly dualitu chování některých částic. Avšak vzhled a přijetí vlnově-částicové duality vlastností kvantových objektů byly zvláště ovlivněny prvními, nejranějšími experimenty, které ukončily debatu o povaze chování světla.
Fotoelektrický efekt: světlo se skládá z částic
Fotoelektrický jev, nazývaný také fotoelektrický jev, je proces interakce světla (nebo jakéhokoli jiného elektromagnetického záření) s hmotou, v důsledku čehož se energie světelných částic přenáší na částice hmoty. Během studia fotoelektrického jevu nebylo možné chování fotoelektronů vysvětlit klasickou elektromagnetickou teorií.
Heinrich Hertz v roce 1887 poznamenal, že ultrafialové světlo na elektrodách zvýšilo jejich schopnost vytvářet elektrické jiskry. Einstein v roce 1905 vysvětlil fotoelektrický jev tím, že světlo je absorbováno a vyzařováno určitými kvantovými částmi, které zpočátku nazval světelná kvanta a poté je nazval fotony.
Experiment Roberta Millikena v roce 1921 potvrdil Einsteinův úsudek a vedl k tomu, že Einstein obdržel Nobelovu cenu za objev fotoelektrického jevu a sám Millikan obdržel Nobelovu cenu v roce 1923 za svou práci na elementárních částicích a studium fotoelektrického jevu.
Davissonův-Jermerův experiment: světlo je vlna
Davissonova zkušenost - Germer potvrzende Broglieho hypotéza o vlno-částicové dualitě světla a sloužila jako základ pro formulaci zákonů kvantové mechaniky.
Oba fyzici studovali odraz elektronů od monokrystalu niklu. Sestava umístěná ve vakuu sestávala z monokrystalu niklu broušeného pod určitým úhlem. Paprsek monochromatických elektronů byl nasměrován přímo kolmo k rovině řezu.
Experimenty ukázaly, že v důsledku odrazu jsou elektrony rozptylovány velmi selektivně, to znamená, že ve všech odražených svazcích, bez ohledu na rychlosti a úhly, jsou pozorována maxima a minima intenzity. Davisson a Germer tedy experimentálně potvrdili přítomnost vlnových vlastností v částicích.
V roce 1948 sovětský fyzik V. A. Fabrikant experimentálně potvrdil, že vlnové funkce jsou vlastní nejen toku elektronů, ale také každému elektronu zvlášť.
Jungův experiment se dvěma štěrbinami
Praktický experiment Thomase Younga se dvěma štěrbinami je ukázkou toho, že světlo i hmota mohou vykazovat vlastnosti vln i částic.
Jungův experiment prakticky demonstruje povahu vlnově-částicové duality, přestože byl poprvé proveden na začátku 19. století, ještě před příchodem teorie dualismu.
Podstata experimentu je následující: zdroj světla (například laserový paprsek) je nasměrován na desku, kde jsou vytvořeny dvě paralelní štěrbiny. Světlo procházející štěrbinami se odráží na stínítku za deskou.
Vlnová povaha světla způsobuje, že světelné vlny procházejí štěrbinamimix, produkující světlé a tmavé pruhy na obrazovce, což by se nestalo, kdyby se světlo chovalo čistě jako částice. Obrazovka však absorbuje a odráží světlo a fotoelektrický efekt je důkazem korpuskulární povahy světla.
Co je vlnově-částicová dualita hmoty?
Otázku, zda se hmota může chovat ve stejné dualitě jako světlo, se ujal de Broglie. Vlastní odvážnou hypotézu, že za určitých podmínek a v závislosti na experimentu mohou nejen fotony, ale i elektrony demonstrovat vlno-částicovou dualitu. Broglie rozvinul svou myšlenku vlnění pravděpodobnosti nejen fotonů světla, ale také makročástic v roce 1924.
Když byla hypotéza prokázána pomocí Davisson-Germerova experimentu a opakováním Youngova experimentu s dvojitou štěrbinou (s elektrony místo fotonů), dostal de Broglie Nobelovu cenu (1929).
Ukazuje se, že hmota se za správných okolností může chovat také jako klasická vlna. Velké objekty samozřejmě vytvářejí vlny tak krátké, že je nemá smysl pozorovat, ale menší objekty, jako jsou atomy nebo dokonce molekuly, vykazují znatelnou vlnovou délku, což je velmi důležité pro kvantovou mechaniku, která je prakticky postavena na vlnových funkcích.
Význam vlnově-částicové duality
Hlavní význam konceptu duality vlny a částic spočívá v tom, že chování elektromagnetického záření a hmoty lze popsat pomocí diferenciální rovnice,který představuje vlnovou funkci. Obvykle je to Schrödingerova rovnice. Schopnost popsat realitu pomocí vlnových funkcí je jádrem kvantové mechaniky.
Nejčastější odpovědí na otázku, jaká je dualita vlna-částice, je, že vlnová funkce představuje pravděpodobnost nalezení určité částice na určitém místě. Jinými slovy, pravděpodobnost, že se částice nachází v předpokládané poloze, z ní dělá vlnu, ale její fyzický vzhled a tvar nikoli.
Co je to dualita vlny a částic?
Zatímco matematika, i když extrémně složitým způsobem, vytváří přesné předpovědi založené na diferenciálních rovnicích, význam těchto rovnic pro kvantovou fyziku je mnohem obtížnější pochopit a vysvětlit. Pokus vysvětlit, co je to dualita vlny a částic, je stále středem debaty v kvantové fyzice.
Praktický význam vlnově-částicové duality spočívá také v tom, že každý fyzik se musí naučit vnímat realitu velmi zajímavým způsobem, když k adekvátnímu vnímání již nestačí uvažovat o téměř jakémkoli předmětu obvyklým způsobem. reality.
