Na první pohled je pojem dualita vlnových částic skutečně podivný. Pravděpodobně jste se o vlnách dozvěděli již dříve a víte, že se jedná o poruchu média, a pravděpodobně jste se dozvěděli o částicích, které jsou diskrétními fyzickými objekty. Představa, že některé věci mají vlastnosti obou, se tedy může zdát nejen podivná, ale i fyzicky nemožná.
Tento článek vás seznámí s myšlenkou duality vlnových částic a poskytne přehled o tom, jak se koncept objevil a jak se v mnoha případech ukazuje jako vynikající popis reality, zejména v oblasti kvantové fyzika.
Vlastnosti vln a vln
Začněme kontrolou toho, co představuje vlnu. Vlna je definována jako porucha média, které se šíří z jednoho místa na druhé a přenáší energii v procesu, ale nepřenáší hmotu.
V médiu, kterým se vlna pohybuje, jednotlivé molekuly jednoduše oscilují na místě. Dobrým příkladem toho je dav na stadionu, který dělá „vlnu“. Každý jedinec jednoduše vstane a posadí se, osciluje na místě, zatímco vlna sama cestuje po celém stadionu.
Mezi vlnové vlastnosti patří vlnová délka (vzdálenost mezi vlnovými vrcholy), frekvence (počet vlnových cyklů za sekunda), perioda (doba potřebná pro jeden kompletní vlnový cyklus a rychlost (jak rychle narušení postupuje).
Vlastnosti částic a povaha částic
Částice jsou odlišné fyzické objekty. Mají v prostoru přesně definovanou pozici, a když se pohybují z jednoho místa na druhé, přenášejí nejen energii, ale i svou vlastní hmotu.
Na rozdíl od vln nepotřebují k pohybu médium. Také nemá smysl je popisovat pomocí vlnové délky, frekvence a periody. Místo toho jsou obvykle popsány svou hmotností, polohou a rychlostí.
Dualita vlnových částic a elektromagnetické záření
Když fenomén světla byl nejprve studován, vědci se rozcházeli v tom, zda to byla vlna nebo částice. Korpuskulární popis světla Isaaca Newtona tvrdil, že působí jako částice, a rozvíjel myšlenky to vysvětlovalo reflexi a lom v tomto rámci, i když některé jeho metody se nezdály úplně práce.
Christiaan Huygens nesouhlasil s Newtonem a k popisu světla použil vlnovou teorii. Dokázal vysvětlit odraz a lom světla tím, že zacházel se světlem jako s vlnou.
Slavný experiment Thomase Younga s dvojitou štěrbinou, který demonstroval interferenční vzorce v červeném světle spojené s chováním vln, také podporoval vlnovou teorii.
Zdálo se, že debata o tom, zda je světlo částice nebo vlna, se vyřešila, když na scénu přišel James Clerk Maxwell a popsal světlo jako elektromagnetické vlny prostřednictvím svých Maxwellových rovnic.
Brzy se však ukázalo, že vlnová povaha světla nezohledňuje všechny pozorované jevy. Například fotoelektrický jev lze vysvětlit, pouze pokud se se světlem zachází jako s částicemi - působí jako jeden foton nebo světelná kvanta. Tuto myšlenku prosadil Albert Einstein, který za ni získal Nobelovu cenu.
Tak se zrodila představa duality vln-částice. Světlo lze skutečně vysvětlit, pouze pokud se s ním v některých situacích zachází jako s vlnou a v jiných jako s částicemi.
Dualita vlnových částic a hmota
Tady je situace ještě podivnější. Nejen, že světlo zobrazuje tuto dualitu, ale také se ukazuje, že hmota. To objevil Louis de Broglie.
Tuto dualitu nelze vůbec vidět v makroskopickém měřítku, ale pokud jde o práci s elementárními částice, někdy se zdají působit jako částice a jindy jako vlny, s vlnovou délkou rovnou přidružené vlnová délka de Broglie.
Tato představa vedla k vývoji kvantové mechaniky, která popisuje částice s vlnovými funkcemi, které lze potom chápat ve smyslu Schrodingerovy rovnice.