Ved første øjekast er forestillingen om bølge-partikel dualitet underlig. Du har sandsynligvis lært om bølger før og ved, at de er en forstyrrelse i et medium, og du har sandsynligvis lært om partikler, som er diskrete fysiske objekter. Så ideen om, at nogle ting har egenskaber for begge dele, kan ikke kun virke underlig, men fysisk umulig.
Denne artikel introducerer dig til idéen om dualitet med bølgepartikler og giver et overblik over, hvordan konceptet opstod og hvordan det viser sig at være en fremragende beskrivelse af virkeligheden i mange tilfælde, især inden for kvanteområdet fysik.
Bølger og bølgeagtige egenskaber
Lad os begynde med at gennemgå, hvad der udgør en bølge. En bølge defineres som en forstyrrelse i et medium, der spredes fra et sted til et andet, der overfører energi i processen, men ikke overfører masse.
I mediet, gennem hvilket bølgen bevæger sig, svinger de enkelte molekyler simpelthen på plads. Et godt eksempel på dette er en menneskemængde på et stadion, der gør "bølgen". Hver person rejser sig simpelthen og sætter sig ned og pendler på plads, mens selve bølgen bevæger sig rundt i hele stadionet.
Bølgeegenskaber inkluderer bølgelængde (afstanden mellem bølgetoppe), frekvens (antallet af bølgecyklusser pr sekund), periode (den tid det tager for en komplet bølgecyklus og hastighed (hvor hurtigt forstyrrelsen bevæger sig).
Partikelegenskaber og partikelart
Partikler er forskellige fysiske objekter. De har en veldefineret position i rummet, og når de bevæger sig fra et sted til et andet, overfører de ikke kun energi, men også deres egen masse.
I modsætning til bølger har de ikke brug for et medium, de skal bevæge sig igennem. Det giver heller ikke mening at beskrive dem med en bølgelængde, frekvens og periode. I stedet er de normalt beskrevet af deres masse, position og hastighed.
Wave-Particle Duality og elektromagnetisk stråling
Når fænomen af lys først blev undersøgt, var forskere uenige i, om det var en bølge eller en partikel. Isaac Newtons korpuskulære beskrivelse af lys hævdede, at det fungerede som en partikel, og han udviklede ideer det forklarede refleksion og brydning inden for denne ramme, skønt nogle af hans metoder ikke helt så ud til det arbejde.
Christiaan Huygens var uenig med Newton og brugte bølgeteori til at beskrive lys. Han var i stand til at forklare refleksion og brydning ved at behandle lys som en bølge.
Thomas Youngs berømte dobbeltspalteeksperiment, som demonstrerede interferensmønstre i rødt lys forbundet med bølgelignende opførsel, understøttede også bølgeteori.
Debatten om, hvorvidt lys var en partikel eller en bølge, syntes at blive løst, da James Clerk Maxwell kom på scenen og beskrev lys som elektromagnetiske bølger via hans Maxwells ligninger.
Men det blev hurtigt tydeligt, at lysets bølgeform ikke tog højde for alle observerede fænomener. Den fotoelektriske effekt kunne for eksempel kun forklares, hvis lys blev behandlet som en partikel - der fungerer som enkeltfotoner eller lyskvanta. Denne idé blev fremsat af Albert Einstein, der vandt en Nobelpris for den.
Således blev forestillingen om bølge-partikel dualitet født. Lys kunne kun virkelig forklares, hvis det blev behandlet som en bølge i nogle situationer og som en partikel i andre.
Wave-Particle Duality and Matter
Her bliver tingene endnu mere underlige. Ikke alene viser lys denne dualitet, men det viser sig, at det også gør det. Dette blev opdaget af Louis de Broglie.
Denne dualitet kan slet ikke ses på en makroskopisk skala, men når det kommer til at arbejde med elementær partikler, synes de undertiden at fungere som partikler og andre gange som bølger, med deres bølgelængde lig med tilknyttet de Broglie bølgelængde.
Denne forestilling førte til udviklingen af kvantemekanik, som beskriver partikler med bølgefunktioner, som derefter kan forstås i form af Schrodinger-ligningen.