للوهلة الأولى ، فإن مفهوم ازدواجية موجة-جسيم غريب بالفعل. من المحتمل أنك تعلمت عن الموجات من قبل وتعرف أنها اضطراب في وسط ، ومن المحتمل أنك تعرفت على الجسيمات ، وهي كائنات مادية منفصلة. لذا فإن فكرة أن بعض الأشياء لها خصائص كليهما قد لا تبدو غريبة فحسب ، بل مستحيلة جسديًا.
ستقدم لك هذه المقالة فكرة ازدواجية الموجة والجسيم وتعطي لمحة عامة عن كيفية ظهور هذا المفهوم وكيف اتضح أنه وصف ممتاز للواقع في كثير من الحالات ، خاصة في عالم الكم الفيزياء.
الأمواج وخصائصها
لنبدأ بمراجعة ما يشكل الموجة. تُعرَّف الموجة بأنها اضطراب في وسط ينتشر من موقع إلى آخر ، وينقل الطاقة في العملية ، ولكن لا ينقل الكتلة.
في الوسط الذي تتحرك خلاله الموجة ، تتأرجح الجزيئات الفردية في مكانها ببساطة. وخير مثال على ذلك هو قيام حشد في الملعب بـ "الموجة". كل فرد ببساطة يقف ويجلس ، يتأرجح في مكانه ، بينما تنتقل الموجة نفسها حول الملعب بأكمله.
تشمل خصائص الموجة الطول الموجي (المسافة بين قمم الموجة) والتردد (عدد دورات الموجة لكل الثانية) ، الفترة (الوقت الذي تستغرقه دورة الموجة الكاملة والسرعة (مدى سرعة انتقال الاضطراب).
خصائص الجسيمات وطبيعة الجسيمات
الجسيمات هي أشياء مادية متميزة. لديهم موقع محدد جيدًا في الفضاء ، وعندما ينتقلون من مكان إلى آخر ، لا يقومون فقط بنقل الطاقة ، ولكن أيضًا كتلتهم الخاصة.
على عكس الموجات ، لا يحتاجون إلى وسيط يتحركون من خلاله. كما أنه ليس من المنطقي وصفها بطول موجة وتكرار ودورة. بدلاً من ذلك ، يتم وصفها عادةً من خلال كتلتها وموقعها وسرعتها.
ازدواجية الجسيمات الموجية والإشعاع الكهرومغناطيسي
عندما ظاهرة الضوء تمت دراستها لأول مرة ، اختلف العلماء حول ما إذا كانت موجة أم جسيم. زعم وصف إسحاق نيوتن الجسيم للضوء أنه يعمل كجسيم ، وقد طور أفكارًا يفسر الانعكاس والانكسار في هذا الإطار ، على الرغم من أن بعض أساليبه لا تبدو كذلك الشغل.
اختلف كريستيان هيغنز مع نيوتن واستخدم نظرية الموجة لوصف الضوء. كان قادرًا على تفسير الانعكاس والانكسار من خلال التعامل مع الضوء كموجة.
تجربة توماس يونغ الشهيرة ذات الشق المزدوج ، والتي أظهرت أنماط التداخل في الضوء الأحمر المرتبط بالسلوك الموجي ، دعمت أيضًا نظرية الموجات.
يبدو أن الجدل حول ما إذا كان الضوء جسيمًا أم موجة قد تم حله عندما جاء جيمس كليرك ماكسويل إلى المشهد ووصف الضوء بأنه موجات كهرومغناطيسية عبر معادلات ماكسويل.
لكن سرعان ما أصبح واضحًا أن الطبيعة الموجية للضوء لم تأخذ في الاعتبار جميع الظواهر المرصودة. التأثير الكهروضوئي ، على سبيل المثال ، يمكن تفسيره فقط إذا تم التعامل مع الضوء كجسيم - يعمل كفوتونات مفردة أو كوانتا ضوئية. طرح هذه الفكرة ألبرت أينشتاين ، الذي فاز بجائزة نوبل عنها.
وهكذا ولدت فكرة ازدواجية الموجة والجسيم. لا يمكن تفسير الضوء حقًا إلا إذا تم التعامل معه كموجة في بعض المواقف وكجسيم في حالات أخرى.
ثنائية الموجة والجسيم والمادة
هنا حيث تصبح الأمور أكثر غرابة. لا يعرض الضوء هذه الازدواجية فحسب ، بل اتضح أن المادة تفعل ذلك أيضًا. اكتشف هذا لويس دي برولي.
لا يمكن رؤية هذه الازدواجية على الإطلاق على نطاق مجهري ، ولكن عندما يتعلق الأمر بالعمل مع الابتدائية الجسيمات ، يبدو أنها تعمل أحيانًا كجسيمات وأوقات أخرى كموجات بطول موجة مساوٍ لـ مرتبطة الطول الموجي لبرولي.
أدت هذه الفكرة إلى تطوير ميكانيكا الكم ، والتي تصف الجسيمات ذات الوظائف الموجية ، والتي يمكن بعد ذلك فهمها من حيث معادلة شرودنجر.