На первый взгляд понятие дуальности волна-частица действительно странно. Скорее всего, вы уже знали о волнах раньше и знали, что они являются возмущением в среде, и, вероятно, узнали о частицах, которые являются дискретными физическими объектами. Поэтому идея о том, что некоторые вещи обладают свойствами обоих, может показаться не только странной, но и физически невозможной.
Эта статья познакомит вас с идеей дуальности волна-частица и даст обзор того, как эта концепция возникла. и как во многих случаях это оказывается превосходным описанием реальности, особенно в области квантовой физики. физика.
Волны и волнообразные свойства
Давайте начнем с рассмотрения того, что представляет собой волна. Волна определяется как возмущение в среде, которое распространяется из одного места в другое, передавая при этом энергию, но не передавая массу.
В среде, в которой движется волна, отдельные молекулы просто колеблются на месте. Хорошим примером этого является толпа на стадионе, которая делает «волну». Каждый человек просто встает и садится, колеблясь на месте, а сама волна распространяется по всему стадиону.
Свойства волны включают длину волны (расстояние между пиками волн), частоту (количество волновых циклов на секунда), период (время, необходимое для одного полного волнового цикла, и скорость (скорость распространения возмущения).
Свойства частиц и природа частиц
Частицы - это отдельные физические объекты. У них четко определенное положение в пространстве, и когда они перемещаются из одного места в другое, они передают не только энергию, но и свою собственную массу.
В отличие от волн, им не нужна среда, через которую можно двигаться. Также нет смысла описывать их длиной волны, частотой и периодом. Вместо этого они обычно описываются их массой, положением и скоростью.
Дуальность волна-частица и электромагнитное излучение
Когда явление света был изучен впервые, ученые разошлись во мнениях относительно того, была ли это волна или частица. Корпускулярное описание света Исааком Ньютоном утверждало, что он действует как частица, и развивал идеи это объясняло отражение и преломление в рамках этой концепции, хотя некоторые из его методов, похоже, не совсем Работа.
Христиан Гюйгенс не согласился с Ньютоном и использовал волновую теорию для описания света. Он смог объяснить отражение и преломление, рассматривая свет как волну.
Знаменитый эксперимент Томаса Янга с двумя щелями, который продемонстрировал интерференционные картины в красном свете, связанные с волнообразным поведением, также подтвердил волновую теорию.
Споры о том, был ли свет частицей или волной, казалось, разрешились, когда на сцену вышел Джеймс Клерк Максвелл и описал свет как электромагнитные волны с помощью своих уравнений Максвелла.
Но вскоре стало очевидно, что волновая природа света не объясняет всех наблюдаемых явлений. Например, фотоэлектрический эффект можно было бы объяснить, только если бы свет рассматривался как частица, действующая как отдельные фотоны или световые кванты. Эта идея была выдвинута Альбертом Эйнштейном, получившим за это Нобелевскую премию.
Так родилось понятие дуальности волна-частица. Свет можно было бы по-настоящему объяснить, только если бы он рассматривался как волна в одних ситуациях и как частица в других.
Двойственность волны-частицы и материя
Здесь все становится еще более странным. Мало того, что свет демонстрирует эту двойственность, но оказывается, что и материя тоже. Это открыл Луи де Бройль.
Эту двойственность вообще нельзя увидеть в макроскопическом масштабе, но когда дело доходит до работы с элементарными частицы, иногда кажется, что они действуют как частицы, а иногда как волны, с длиной волны, равной связанный длина волны де Бройля.
Это понятие привело к развитию квантовой механики, которая описывает частицы с волновыми функциями, которые затем можно понять в терминах уравнения Шредингера.