Τι είναι η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου; Είναι χαρακτηριστικό των φωτονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων που συμπεριφέρονται σαν κύματα υπό ορισμένες συνθήκες και σαν σωματίδια υπό άλλες.
Η δυαδικότητα ύλης-σωματιδίου ύλης και φωτός είναι ένα σημαντικό μέρος της κβαντικής μηχανικής, επειδή καταδεικνύει καλύτερα το γεγονός ότι τέτοιες έννοιες όπως "κύματα" και "σωματίδια", που λειτουργούν καλά στην κλασική μηχανική, δεν αρκούν για να εξηγήσεις της συμπεριφοράς ορισμένων κβαντικών αντικειμένων.
Η διπλή φύση του φωτός κέρδισε αναγνώριση στη φυσική μετά το 1905, όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν περιέγραψε τη συμπεριφορά του φωτός χρησιμοποιώντας φωτόνια, τα οποία περιγράφονταν ως σωματίδια. Στη συνέχεια, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τη λιγότερο διάσημη ειδική σχετικότητα, η οποία περιέγραφε το φως ως κυματική συμπεριφορά.
Σωματίδια που παρουσιάζουν διπλή συμπεριφορά
Το καλύτερο από όλα, η αρχή της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίουπαρατηρείται στη συμπεριφορά των φωτονίων. Αυτά είναι τα ελαφρύτερα και μικρότερα αντικείμενα που παρουσιάζουν διπλή συμπεριφορά. Μεταξύ μεγαλύτερων αντικειμένων, όπως στοιχειώδη σωματίδια, άτομα, ακόμη και μόρια, μπορούν επίσης να παρατηρηθούν στοιχεία δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου, αλλά τα μεγαλύτερα αντικείμενα συμπεριφέρονται σαν εξαιρετικά σύντομα κύματα, επομένως είναι πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν. Συνήθως, οι έννοιες που χρησιμοποιούνται στην κλασική μηχανική είναι επαρκείς για να περιγράψουν τη συμπεριφορά μεγαλύτερων ή μακροσκοπικών σωματιδίων.
Απόδειξη δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου
Οι άνθρωποι σκέφτονται τη φύση του φωτός και της ύλης για πολλούς αιώνες και ακόμη και χιλιετίες. Μέχρι σχετικά πρόσφατα, οι φυσικοί πίστευαν ότι τα χαρακτηριστικά του φωτός και της ύλης πρέπει να είναι μονοσήμαντα: το φως μπορεί να είναι είτε ένα ρεύμα σωματιδίων είτε ένα κύμα, όπως ακριβώς η ύλη, είτε αποτελείται από μεμονωμένα σωματίδια που υπακούουν πλήρως στους νόμους της Νευτώνειας μηχανικής, είτε συνεχές, αχώριστο μέσο.
Αρχικά, στη σύγχρονη εποχή, ήταν δημοφιλής η θεωρία για τη συμπεριφορά του φωτός ως ρεύματος μεμονωμένων σωματιδίων, δηλαδή η σωματιδιακή θεωρία. Ο ίδιος ο Νεύτων το τήρησε. Ωστόσο, μεταγενέστεροι φυσικοί όπως ο Huygens, ο Fresnel και ο Maxwell κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το φως είναι ένα κύμα. Εξήγησαν τη συμπεριφορά του φωτός με την ταλάντωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και η αλληλεπίδραση του φωτός και της ύλης σε αυτή την περίπτωση εμπίπτει στην εξήγηση της κλασικής θεωρίας πεδίου.
Ωστόσο, στις αρχές του εικοστού αιώνα, οι φυσικοί αντιμετώπισαν το γεγονός ότι ούτε η πρώτη ούτε η δεύτερη εξήγηση μπορούσανκαλύπτουν πλήρως την περιοχή της συμπεριφοράς φωτός κάτω από διάφορες συνθήκες και αλληλεπιδράσεις.
Έκτοτε, πολλά πειράματα έχουν αποδείξει τη δυαδικότητα της συμπεριφοράς ορισμένων σωματιδίων. Ωστόσο, η εμφάνιση και η αποδοχή της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου των ιδιοτήτων των κβαντικών αντικειμένων επηρεάστηκε ιδιαίτερα από τα πρώτα, παλαιότερα πειράματα, τα οποία έβαλαν τέλος στη συζήτηση σχετικά με τη φύση της συμπεριφοράς του φωτός.
Φωτοηλεκτρικό εφέ: το φως αποτελείται από σωματίδια
Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, που ονομάζεται επίσης φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, είναι η διαδικασία αλληλεπίδρασης του φωτός (ή οποιασδήποτε άλλης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας) με την ύλη, ως αποτέλεσμα της οποίας η ενέργεια των σωματιδίων φωτός μεταφέρεται στα σωματίδια ύλης. Κατά τη μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, η συμπεριφορά των φωτοηλεκτρονίων δεν μπορούσε να εξηγηθεί από την κλασική ηλεκτρομαγνητική θεωρία.
Ο Heinrich Hertz παρατήρησε το 1887 ότι το λαμπρό υπεριώδες φως στα ηλεκτρόδια αύξησε την ικανότητά τους να δημιουργούν ηλεκτρικούς σπινθήρες. Ο Αϊνστάιν το 1905 εξήγησε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο από το γεγονός ότι το φως απορροφάται και εκπέμπεται από ορισμένα κβαντικά τμήματα, τα οποία αρχικά ονόμασε κβάντα φωτός και στη συνέχεια τα ονόμασε φωτόνια.
Ένα πείραμα του Robert Milliken το 1921 επιβεβαίωσε την κρίση του Αϊνστάιν και οδήγησε στο γεγονός ότι ο τελευταίος έλαβε το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και ο ίδιος ο Millikan έλαβε το βραβείο Νόμπελ το 1923 για την εργασία του στα στοιχειώδη σωματίδια και η μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.
Πείραμα Davisson-Jermer: το φως είναι ένα κύμα
Η εμπειρία του Davisson - επιβεβαίωσε ο GermerΗ υπόθεση του de Broglie σχετικά με τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου του φωτός και χρησίμευσε ως βάση για τη διατύπωση των νόμων της κβαντικής μηχανικής.
Και οι δύο φυσικοί μελέτησαν την ανάκλαση ηλεκτρονίων από έναν μονοκρύσταλλο νικελίου. Η διάταξη, που βρίσκεται σε κενό, αποτελούνταν από ένα μονοκρυστάλλινο νικέλιο αλεσμένο σε μια ορισμένη γωνία. Μια δέσμη μονόχρωμων ηλεκτρονίων κατευθύνθηκε απευθείας κάθετα στο επίπεδο κοπής.
Πειράματα έδειξαν ότι ως αποτέλεσμα της ανάκλασης, τα ηλεκτρόνια διασκορπίζονται πολύ επιλεκτικά, δηλαδή σε όλες τις ανακλώμενες δέσμες, ανεξάρτητα από ταχύτητες και γωνίες, παρατηρούνται μέγιστα και ελάχιστα έντασης. Έτσι, οι Davisson και Germer επιβεβαίωσαν πειραματικά την παρουσία κυματικών ιδιοτήτων στα σωματίδια.
Το 1948, ο Σοβιετικός φυσικός V. A. Fabrikant επιβεβαίωσε πειραματικά ότι οι κυματικές συναρτήσεις είναι εγγενείς όχι μόνο στη ροή των ηλεκτρονίων, αλλά και σε κάθε ηλεκτρόνιο ξεχωριστά.
Πείραμα του Jung με δύο σχισμές
Το πρακτικό πείραμα του Thomas Young με δύο σχισμές είναι μια απόδειξη ότι τόσο το φως όσο και η ύλη μπορούν να επιδείξουν τα χαρακτηριστικά τόσο των κυμάτων όσο και των σωματιδίων.
Το πείραμα του Jung αποδεικνύει πρακτικά τη φύση της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου, παρά το γεγονός ότι πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά στις αρχές του 19ου αιώνα, ακόμη και πριν από την εμφάνιση της θεωρίας του δυϊσμού.
Η ουσία του πειράματος είναι η εξής: μια πηγή φωτός (για παράδειγμα, μια δέσμη λέιζερ) κατευθύνεται σε μια πλάκα όπου γίνονται δύο παράλληλες εγκοπές. Το φως που περνά μέσα από τις σχισμές αντανακλάται στην οθόνη πίσω από την πλάκα.
Η κυματική φύση του φωτός προκαλεί τα κύματα φωτός που περνούν μέσα από σχισμές σεανακατεύουμε, δημιουργώντας φωτεινές και σκοτεινές ραβδώσεις στην οθόνη, κάτι που δεν θα συνέβαινε αν το φως συμπεριφερόταν καθαρά σαν σωματίδια. Ωστόσο, η οθόνη απορροφά και αντανακλά το φως και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι απόδειξη της σωματικής φύσης του φωτός.
Τι είναι η δυαδικότητα της ύλης κύματος-σωματιδίου;
Το ερώτημα εάν η ύλη μπορεί να συμπεριφέρεται με την ίδια δυαδικότητα με το φως, έθεσε ο de Broglie. Κατέχει μια τολμηρή υπόθεση ότι, υπό ορισμένες συνθήκες και ανάλογα με το πείραμα, όχι μόνο τα φωτόνια, αλλά και τα ηλεκτρόνια μπορούν να αποδείξουν τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Ο Broglie ανέπτυξε την ιδέα του για τα κύματα πιθανότητας όχι μόνο των φωτονίων του φωτός, αλλά και των μακροσωματιδίων το 1924.
Όταν η υπόθεση αποδείχθηκε χρησιμοποιώντας το πείραμα Davisson-Germer και επαναλαμβάνοντας το πείραμα διπλής σχισμής του Young (με ηλεκτρόνια αντί για φωτόνια), ο de Broglie έλαβε το βραβείο Νόμπελ (1929).
Αποδεικνύεται ότι η ύλη μπορεί επίσης να συμπεριφέρεται σαν ένα κλασικό κύμα υπό τις κατάλληλες συνθήκες. Φυσικά, τα μεγάλα αντικείμενα δημιουργούν κύματα τόσο κοντά που δεν έχει νόημα η παρατήρησή τους, αλλά μικρότερα αντικείμενα, όπως άτομα ή ακόμα και μόρια, παρουσιάζουν ένα αξιοσημείωτο μήκος κύματος, το οποίο είναι πολύ σημαντικό για την κβαντική μηχανική, η οποία πρακτικά βασίζεται σε κυματικές συναρτήσεις.
Η έννοια της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου
Η κύρια έννοια της έννοιας της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου είναι ότι η συμπεριφορά της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και της ύλης μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας μια διαφορική εξίσωση,που αντιπροσωπεύει την κυματική συνάρτηση. Συνήθως αυτή είναι η εξίσωση Schrödinger. Η ικανότητα περιγραφής της πραγματικότητας χρησιμοποιώντας κυματικές συναρτήσεις βρίσκεται στο επίκεντρο της κβαντικής μηχανικής.
Η πιο κοινή απάντηση στο ερώτημα τι είναι η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου είναι ότι η κυματική συνάρτηση αντιπροσωπεύει την πιθανότητα εύρεσης ενός συγκεκριμένου σωματιδίου σε ένα συγκεκριμένο μέρος. Με άλλα λόγια, η πιθανότητα ένα σωματίδιο να βρίσκεται σε μια προβλεπόμενη τοποθεσία το κάνει κύμα, αλλά η φυσική του εμφάνιση και το σχήμα του δεν είναι.
Τι είναι η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου;
Ενώ τα μαθηματικά, αν και με εξαιρετικά πολύπλοκο τρόπο, κάνουν ακριβείς προβλέψεις βασισμένες σε διαφορικές εξισώσεις, το νόημα αυτών των εξισώσεων για την κβαντική φυσική είναι πολύ πιο δύσκολο να κατανοηθεί και να εξηγηθεί. Μια προσπάθεια να εξηγηθεί τι είναι η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου εξακολουθεί να βρίσκεται στο επίκεντρο της συζήτησης στην κβαντική φυσική.
Η πρακτική σημασία της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου έγκειται επίσης στο γεγονός ότι κάθε φυσικός πρέπει να μάθει να αντιλαμβάνεται την πραγματικότητα με έναν πολύ ενδιαφέροντα τρόπο, όταν η σκέψη σχεδόν για οποιοδήποτε αντικείμενο με τον συνηθισμένο τρόπο δεν είναι πλέον αρκετή για μια επαρκή αντίληψη της πραγματικότητας.
