Na prvý pohľad je pojem dualita vlnových častíc skutočne zvláštny. Pravdepodobne ste sa už o vlnách dozvedeli predtým a viete, že ide o poruchu média, a pravdepodobne ste sa dozvedeli aj o časticiach, ktoré sú samostatnými fyzikálnymi objektmi. Takže predstava, že niektoré veci majú vlastnosti oboch, sa môže javiť nielen čudná, ale aj fyzicky nemožná.
Tento článok vás oboznámi s myšlienkou duality vlnových častíc a poskytne prehľad o tom, ako tento koncept vznikol a ako sa ukazuje, že je to v mnohých prípadoch vynikajúci popis reality, najmä v oblasti kvanta fyzika.
Vlastnosti vĺn a vĺn
Začnime kontrolou toho, čo predstavuje vlnu. Vlna je definovaná ako porucha média, ktoré sa šíri z jedného miesta na druhé a prenáša energiu v procese, ale neprenáša hmotu.
V médiu, cez ktoré sa vlna pohybuje, jednotlivé molekuly jednoducho kmitajú na danom mieste. Dobrým príkladom toho je dav na štadióne, ktorý robí „vlnu“. Každý jednotlivec sa jednoducho postaví a sadne si, osciluje na svojom mieste, zatiaľ čo samotná vlna obchádza celý štadión.
Medzi vlnové vlastnosti patrí vlnová dĺžka (vzdialenosť medzi vrcholmi vĺn), frekvencia (počet vlnových cyklov za sekunda), perióda (čas potrebný na jeden úplný vlnový cyklus a rýchlosť (ako rýchlo sa porucha šíri).
Vlastnosti častíc a povaha častice
Častice sú odlišné fyzické objekty. Majú presne vymedzenú polohu v priestore a pri prechode z jedného miesta na druhé prenášajú nielen energiu, ale aj svoju vlastnú hmotu.
Na rozdiel od vĺn nepotrebujú na prechod médium. Tiež nemá zmysel ich popisovať pomocou vlnovej dĺžky, frekvencie a periódy. Namiesto toho sú zvyčajne opísané podľa ich hmotnosti, polohy a rýchlosti.
Dualita vlnových častíc a elektromagnetické žiarenie
Keď fenomén svetla sa najskôr študovalo, vedci sa nezhodli, či išlo o vlnu alebo časticu. Korpuskulárny opis svetla Isaaca Newtona tvrdil, že pôsobilo ako častica, a rozvíjal myšlienky to vysvetľovalo odraz a lom svetla v tomto rámci, aj keď sa zdá, že niektoré z jeho metód celkom neplatia práca.
Christiaan Huygens nesúhlasil s Newtonom a na opísanie svetla použil vlnovú teóriu. Dokázal vysvetliť odraz a lom svetla tým, že so svetlom zaobchádzal ako s vlnou.
Teória vĺn podporila aj slávny experiment Thomasa Younga s dvojitou štrbinou, ktorý preukázal interferenčné vzorce v červenom svetle spojené s vlnovým správaním.
Zdá sa, že diskusia o tom, či je svetlo častica alebo vlna, sa vyriešila, keď na scénu prišiel James Clerk Maxwell a prostredníctvom svojich Maxwellových rovníc opísal svetlo ako elektromagnetické vlny.
Čoskoro sa však ukázalo, že vlnová povaha svetla nezodpovedá za všetky pozorované javy. Napríklad fotoelektrický jav by sa dal vysvetliť, iba ak by sa so svetlom zaobchádzalo ako s časticou - pôsobili by ako jednotlivé fotóny alebo svetelné kvantá. Túto myšlienku predložil Albert Einstein, ktorý za ňu získal Nobelovu cenu.
Tak sa zrodila predstava duality vlnových častíc. Svetlo sa dá skutočne vysvetliť, iba ak sa s ním v niektorých situáciách zaobchádza ako s vlnou a v iných ako s časticou.
Dualita a hmota vlnových častíc
Tu je situácia ešte zvláštnejšia. Nielenže táto dualita zobrazuje svetlo, ale ukazuje sa, že aj hmotu. To objavil Louis de Broglie.
Túto dualitu nemožno vidieť vôbec v makroskopickom meradle, ale pokiaľ ide o prácu s elementárnymi častice, niekedy pôsobia ako častice a inokedy ako vlny s vlnovou dĺžkou rovnou príslušného vlnová dĺžka de Broglie.
Táto predstava viedla k rozvoju kvantovej mechaniky, ktorá popisuje častice s vlnovými funkciami, ktoré potom možno chápať v zmysle Schrodingerovej rovnice.