Na pierwszy rzut oka pojęcie dualizmu falowo-cząsteczkowego jest rzeczywiście dziwne. Prawdopodobnie już wcześniej poznałeś fale i wiesz, że są zakłóceniem w ośrodku, a także prawdopodobnie nauczyłeś się o cząstkach, które są dyskretnymi obiektami fizycznymi. Tak więc pomysł, że niektóre rzeczy mają właściwości obu, może wydawać się nie tylko dziwny, ale i fizycznie niemożliwy.
Ten artykuł wprowadzi Cię w ideę dualizmu falowo-cząsteczkowego i przedstawi przegląd tego, jak powstała koncepcja i jak okazuje się być doskonałym opisem rzeczywistości w wielu przypadkach, zwłaszcza w sferze kwantowej fizyka.
Fale i właściwości falopodobne
Zacznijmy od przyjrzenia się, co stanowi falę. Falę definiuje się jako zaburzenie w ośrodku, które rozchodzi się z jednego miejsca do drugiego, przenosząc energię w procesie, ale nie przenosząc masy.
W ośrodku, przez który porusza się fala, poszczególne cząsteczki po prostu oscylują w miejscu. Dobrym tego przykładem jest tłum na stadionie robiący „falę”. Każda osoba po prostu wstaje i siada, oscylując w miejscu, podczas gdy sama fala krąży po całym stadionie.
Właściwości fal obejmują długość fali (odległość między szczytami fal), częstotliwość (liczbę cykli fali na sekunda), okres (czas potrzebny na jeden pełny cykl fali i prędkość (jak szybko przemieszcza się zakłócenie).
Właściwości i natura cząstek
Cząstki to odrębne obiekty fizyczne. Mają ściśle określoną pozycję w przestrzeni, a gdy przemieszczają się z jednego miejsca w drugie, nie tylko przekazują energię, ale także własną masę.
W przeciwieństwie do fal nie potrzebują ośrodka, przez który mogą się poruszać. Nie ma też sensu opisywać ich długością fali, częstotliwością i okresem. Zamiast tego są zwykle opisywane przez ich masę, położenie i prędkość.
Dualizm falowo-cząsteczkowy i promieniowanie elektromagnetyczne
Kiedy zjawisko światła był badany po raz pierwszy, naukowcy nie zgadzali się, czy jest to fala, czy cząsteczka. W korpuskularnym opisie światła Isaaca Newtona stwierdzono, że działa ono jak cząsteczka, a on rozwinął idee to wyjaśniało refleksję i refrakcję w tych ramach, chociaż niektóre z jego metod nie wydawały się całkiem to praca.
Christiaan Huygens nie zgadzał się z Newtonem i używał teorii fal do opisu światła. Był w stanie wyjaśnić odbicie i załamanie światła, traktując światło jako falę.
Słynny eksperyment Thomasa Younga z podwójną szczeliną, który zademonstrował wzorce interferencji w czerwonym świetle związane z zachowaniem falopodobnym, również poparł teorię fal.
Debata na temat tego, czy światło jest cząsteczką, czy falą, została rozwiązana, gdy James Clerk Maxwell wszedł na scenę i opisał światło jako fale elektromagnetyczne za pomocą równań Maxwella.
Wkrótce jednak okazało się, że falowa natura światła nie wyjaśnia wszystkich obserwowanych zjawisk. Na przykład efekt fotoelektryczny można wyjaśnić tylko wtedy, gdy światło potraktowano jako cząstkę – działającą jako pojedyncze fotony lub kwanty światła. Pomysł ten wysunął Albert Einstein, który otrzymał za to Nagrodę Nobla.
Tak narodziło się pojęcie dualizmu falowo-cząsteczkowego. Światło dałoby się naprawdę wytłumaczyć tylko wtedy, gdyby było traktowane jako fala w niektórych sytuacjach, a jako cząstka w innych.
Dualizm falowo-cząsteczkowy i materia
Oto, gdzie sprawy stają się jeszcze bardziej dziwne. Światło nie tylko ukazuje tę dwoistość, ale okazuje się, że również materia. Odkrył to Louis de Broglie.
Ta dwoistość w ogóle nie jest widoczna w skali makroskopowej, ale jeśli chodzi o pracę z elementarnymi cząstki, czasami wydają się działać jak cząstki, a innym razem jak fale, o długości fali równej powiązany długość fali de Broglie.
Pojęcie to doprowadziło do rozwoju mechaniki kwantowej, która opisuje cząstki z funkcjami falowymi, które można następnie zrozumieć w kategoriach równania Schrodingera.