Esmapilgul on laineosakeste duaalsuse mõiste kummaline. Tõenäoliselt olete juba varem õppinud lainete kohta õppima ja teate, et need on segud meediumis, ning olete tõenäoliselt õppinud osakeste kohta, mis on eraldiseisvad füüsilised objektid. Nii et mõte, et mõnel asjal on mõlema omadused, võib tunduda mitte ainult kummaline, vaid füüsiliselt võimatu.
See artikkel tutvustab teile laineosakeste duaalsuse ideed ja annab ülevaate kontseptsiooni tekkimisest ja kuidas see osutub paljudel juhtudel suurepäraseks tegelikkuse kirjelduseks, eriti kvantide vallas Füüsika.
Lained ja lainelised omadused
Alustuseks vaatame üle, mis on laine. Lainet määratletakse kui häiret keskkonnas, mis levib ühest kohast teise, kandes protsessis energiat edasi, kuid massi mitte.
Keskkonnas, mille kaudu laine liigub, võnkuvad üksikud molekulid lihtsalt oma kohale. Hea näide sellest on rahvast staadionil, kes teeb lainet. Iga inimene lihtsalt tõuseb püsti ja istub, võnkudes paigal, samal ajal kui laine ise liigub kogu staadionil ringi.
Laineomadused hõlmavad lainepikkust (lainepikkuste vaheline kaugus), sagedust (lainetsüklite arv ühe kohta) teine), periood (aeg, mis kulub ühe täieliku lainetsükli ja kiiruse jaoks (kui kiiresti häire liigub).
Osakeste omadused ja osakeste olemus
Osakesed on erinevad füüsilised objektid. Neil on ruumis täpselt määratletud asend ja ühest kohast teise liikudes ei kanna nad mitte ainult energiat, vaid ka oma massi.
Erinevalt lainetest ei vaja nad liikumiskeskkonda. Samuti pole mõtet neid kirjeldada lainepikkuse, sageduse ja perioodiga. Selle asemel kirjeldatakse neid tavaliselt nende massi, asendi ja kiiruse järgi.
Laineosakeste duaalsus ja elektromagnetiline kiirgus
Kui valguse nähtus esmakordselt uuriti, ei olnud teadlased ühel meelel selles, kas see oli laine või osake. Isaac Newtoni valguse korpuskulaarne kirjeldus väitis, et see toimis osakesena ja ta arendas ideid see seletas peegeldust ja murdumist selles raamistikus, kuigi mõned tema meetodid ei tundunud päris nii olevat töö.
Christiaan Huygens ei nõustunud Newtoniga ja kasutas valguse kirjeldamiseks laineteooriat. Ta suutis seletada peegeldumist ja murdumist, käsitledes valgust lainena.
Laineteooriat toetas ka Thomas Youngi kuulus topeltlõikeline eksperiment, mis demonstreeris laineliste käitumistega seotud punase valguse häiremustreid.
Debatt selle kohta, kas valgus oli osake või laine, näis lahenevat, kui James Clerk Maxwell tuli lavale ja kirjeldas valgust elektromagnetlainetena oma Maxwelli võrrandite kaudu.
Kuid peagi selgus, et valguse laineline olemus ei arvesta kõigi vaadeldud nähtustega. Näiteks fotoelektrilist efekti saab seletada ainult siis, kui valgust käsitletakse osakesena - see toimib üksikute footonite või valguskvantidena. Selle idee esitas Albert Einstein, kes võitis selle eest Nobeli preemia.
Nii sündis laineosakeste duaalsuse mõiste. Valgust saab tõeliselt seletada ainult siis, kui seda käsitletakse mõnes olukorras lainena ja mõnes osakesena.
Laineosakeste duaalsus ja aine
Siit lähevad asjad veelgi imelikumaks. Valgus mitte ainult ei näita seda duaalsust, vaid ilmneb, et ka mateeria. Selle avastas Louis de Broglie.
Seda duaalsust ei saa makroskoopilises plaanis üldse näha, aga mis puutub elementaarsega töötamisse osakesed, näivad nad mõnikord toimivat osakestena ja teinekord lainetena, nende lainepikkus võrdub lainepikkusega seotud de Broglie lainepikkus.
See mõte viis kvantmehaanika väljatöötamiseni, mis kirjeldab lainefunktsioonidega osakesi, mida saab seejärel mõista Schrodingeri võrrandi mõistes.