На пръв поглед идеята за двойственост на вълновите частици наистина е странна. Вероятно сте научили за вълните и преди и знаете, че те са смущение в среда, и вероятно сте научили за частици, които са дискретни физически обекти. Така че идеята, че някои неща имат свойства и на двете, може да изглежда не само странна, но и физически невъзможна.
Тази статия ще ви запознае с идеята за двойственост на вълновите частици и ще направи преглед на това как се е появила концепцията и как се оказва отлично описание на реалността в много случаи, особено в сферата на кванта физика.
Вълни и подобни на вълни свойства
Нека започнем с преглед на това, което представлява вълна. Вълната се определя като смущение в среда, която се разпространява от едно място на друго, прехвърляйки енергия в процеса, но не пренасяйки маса.
В средата, през която се движи вълната, отделните молекули просто се колебаят на място. Добър пример за това е тълпата на стадион, която прави „вълната“. Всеки индивид просто се изправя и сяда, осцилирайки на място, докато самата вълна обикаля целия стадион.
Свойствата на вълната включват дължина на вълната (разстоянието между върховите вълни), честота (броят на вълновите цикли на второ), период (времето, необходимо за един пълен цикъл на вълната и скорост (колко бързо се движи смущението).
Свойства на частиците и природата на частиците
Частиците са различни физически обекти. Те имат добре дефинирана позиция в пространството и когато се преместват от едно място на друго, не само прехвърлят енергия, но и собствената си маса.
За разлика от вълните, те не се нуждаят от среда, през която да се движат. Също така няма смисъл да ги описвате с дължина на вълната, честота и период. Вместо това те обикновено се описват с тяхната маса, позиция и скорост.
Двойственост на вълновите частици и електромагнитно излъчване
Когато явление на светлината за първи път се изследва, учените не са съгласни дали това е вълна или частица. Корпускулното описание на светлината на Исак Нютон твърди, че тя действа като частица и той развива идеи това обясняваше отражението и пречупването в тази рамка, въпреки че някои от неговите методи не изглеждаха съвсем работа.
Кристиан Хюйгенс не се съгласи с Нютон и използва теорията на вълните, за да опише светлината. Той успя да обясни отражението и пречупването, като третира светлината като вълна.
Известният експеримент на Томас Янг с двоен процеп, който демонстрира интерференционни модели в червена светлина, свързани с вълноподобно поведение, също подкрепя теорията на вълните.
Дебатът за това дали светлината е частица или вълна изглежда се разрешава, когато Джеймс Клерк Максуел излиза на сцената и описва светлината като електромагнитни вълни чрез своите уравнения на Максуел.
Но скоро стана ясно, че вълновата природа на светлината не отчита всички наблюдавани явления. Фотоелектричният ефект, например, може да бъде обяснен само ако светлината се третира като частица - действайки като единични фотони или кванти на светлината. Тази идея беше изложена от Алберт Айнщайн, който спечели Нобелова награда за това.
Така се ражда идеята за двойственост на вълновите частици. Светлината може да бъде истински обяснена само ако в някои ситуации тя се третира като вълна, а в други - като частица.
Двойственост и материя на вълновите частици
Тук нещата стават още по-странни. Не само светлината показва тази двойственост, но се оказва, че и материята я проявява. Това е открито от Луи дьо Бройл.
Тази двойственост изобщо не може да се види в макроскопичен мащаб, но когато става въпрос за работа с елементарно частици, те понякога изглеждат като частици, а друг път като вълни, като дължината на вълната им е равна на асоциирани дължина на вълната на де Бройл.
Тази идея доведе до развитието на квантовата механика, която описва частици с вълнови функции, които след това могат да бъдат разбрани от гледна точка на уравнението на Шрьодингер.