Με την πρώτη ματιά, η έννοια της δυαδικότητας των κυμάτων-σωματιδίων είναι πράγματι περίεργη. Πιθανότατα έχετε μάθει για τα κύματα στο παρελθόν και γνωρίζετε ότι είναι μια διαταραχή σε ένα μέσο και πιθανότατα έχετε μάθει για σωματίδια, τα οποία είναι διακριτά φυσικά αντικείμενα. Έτσι, η ιδέα ότι ορισμένα πράγματα έχουν ιδιότητες και των δύο μπορεί να φαίνεται όχι μόνο παράξενη, αλλά φυσικά αδύνατη.
Αυτό το άρθρο θα σας παρουσιάσει την ιδέα της δυαδικότητας των κυμάτων-σωματιδίων και θα δώσει μια επισκόπηση του τρόπου με τον οποίο προέκυψε η ιδέα και πώς αποδεικνύεται μια εξαιρετική περιγραφή της πραγματικότητας σε πολλές περιπτώσεις, ειδικά στον κόσμο της κβαντικής η φυσικη.
Κύματα και ιδιότητες κύματος
Ας ξεκινήσουμε ελέγχοντας τι αποτελεί κύμα. Ένα κύμα ορίζεται ως μια διαταραχή σε ένα μέσο που διαδίδεται από τη μία θέση στην άλλη, μεταφέροντας ενέργεια στη διαδικασία, αλλά δεν μεταφέρει μάζα.
Στο μέσο μέσω του οποίου κινείται το κύμα, τα μεμονωμένα μόρια ταλαντεύονται απλά στη θέση τους. Ένα καλό παράδειγμα αυτού είναι το πλήθος ενός σταδίου που κάνει «το κύμα». Κάθε άτομο απλώς σηκώνεται και κάθεται, ταλαντεύεται στη θέση του, ενώ το ίδιο το κύμα κινείται σε όλο το γήπεδο.
Οι ιδιότητες κυμάτων περιλαμβάνουν το μήκος κύματος (την απόσταση μεταξύ κορυφών κύματος), τη συχνότητα (ο αριθμός κύκλων κυμάτων ανά δεύτερο), περίοδος (ο χρόνος που απαιτείται για έναν πλήρη κύκλο κύματος και ταχύτητα (πόσο γρήγορα ταξιδεύει η διαταραχή).
Ιδιότητες σωματιδίων και φύση σωματιδίων
Τα σωματίδια είναι ξεχωριστά φυσικά αντικείμενα. Έχουν μια σαφώς καθορισμένη θέση στο διάστημα και όταν μετακινούνται από τη μία θέση στην άλλη, όχι μόνο μεταφέρουν ενέργεια, αλλά και τη δική τους μάζα.
Σε αντίθεση με τα κύματα, δεν χρειάζονται ένα μέσο για να κινηθούν. Επίσης, δεν έχει νόημα να τα περιγράψουμε με μήκος κύματος, συχνότητα και περίοδο. Αντ 'αυτού, συνήθως περιγράφονται από τη μάζα, τη θέση και την ταχύτητά τους.
Δυαδικότητα κυμάτων-σωματιδίων και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία
Οταν ο φαινόμενο του φωτός μελετήθηκε για πρώτη φορά, οι επιστήμονες διαφώνησαν ως προς το εάν ήταν κύμα ή σωματίδιο. Η σωματική περιγραφή του φωτός του Isaac Newton ισχυρίστηκε ότι ενεργούσε ως σωματίδιο και ανέπτυξε ιδέες που εξήγησε τον προβληματισμό και τη διάθλαση σε αυτό το πλαίσιο, αν και μερικές από τις μεθόδους του δεν φαινόταν αρκετά εργασία.
Ο Christiaan Huygens διαφώνησε με τον Newton και χρησιμοποίησε τη θεωρία των κυμάτων για να περιγράψει το φως. Ήταν σε θέση να εξηγήσει την αντανάκλαση και τη διάθλαση αντιμετωπίζοντας το φως ως κύμα.
Το διάσημο πείραμα διπλής σχισμής του Thomas Young, το οποίο έδειξε μοτίβα παρεμβολών στο κόκκινο φως που σχετίζονται με την κυματοειδή συμπεριφορά, υποστήριξε επίσης τη θεωρία των κυμάτων.
Η συζήτηση για το αν το φως ήταν ένα σωματίδιο ή ένα κύμα φάνηκε να επιλύεται όταν ο James Clerk Maxwell ήρθε στη σκηνή και περιέγραψε το φως ως ηλεκτρομαγνητικά κύματα μέσω των εξισώσεων του Maxwell.
Όμως σύντομα έγινε εμφανές ότι η κυματική φύση του φωτός δεν αντιστοιχούσε σε όλα τα παρατηρούμενα φαινόμενα. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, για παράδειγμα, θα μπορούσε να εξηγηθεί μόνο εάν το φως αντιμετωπίστηκε ως σωματίδιο - ενεργώντας ως μεμονωμένα φωτόνια ή ελαφριά κβάντα. Αυτή η ιδέα διατυπώθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για αυτό.
Έτσι γεννήθηκε η έννοια της δυαδικότητας των κυμάτων-σωματιδίων. Το φως θα μπορούσε να εξηγηθεί αληθινά μόνο εάν αντιμετωπίστηκε ως κύμα σε ορισμένες καταστάσεις και ως σωματίδιο σε άλλες.
Διττότητα και ουσία κύματος-σωματιδίων
Εδώ τα πράγματα γίνονται ακόμη πιο περίεργα. Όχι μόνο το φως εμφανίζει αυτήν τη δυαδικότητα, αλλά αποδεικνύεται και η ύλη. Αυτό ανακαλύφθηκε από τον Louis de Broglie.
Αυτή η δυαδικότητα δεν μπορεί να φανεί καθόλου σε μακροσκοπική κλίμακα, αλλά όταν πρόκειται για εργασία με στοιχειώδη σωματίδια, μερικές φορές φαίνεται να δρουν ως σωματίδια και άλλες φορές ως κύματα, με μήκος κύματος ίσο με το συσχετισμένο Μήκος κύματος de Broglie.
Αυτή η έννοια οδήγησε στην ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής, η οποία περιγράφει σωματίδια με κυματοσυναρτήσεις, οι οποίες στη συνέχεια μπορούν να γίνουν κατανοητές από την άποψη της εξίσωσης Schrodinger.