Wave-Particle Duality: En översikt

Vid första anblicken är tanken på vågpartikel dualitet verkligen konstig. Du har förmodligen lärt dig om vågor tidigare och vet att de är en störning i ett medium, och du har troligen lärt dig om partiklar, som är diskreta fysiska föremål. Så tanken att vissa saker har egenskaper hos båda kan tyckas inte bara konstigt utan fysiskt omöjligt.

Denna artikel kommer att introducera dig till idén om vågpartikel dualitet och ge en översikt över hur konceptet uppstod och hur det visar sig vara en utmärkt beskrivning av verkligheten i många fall, särskilt inom kvantområdet fysik.

Vågor och vågliknande egenskaper

Låt oss börja med att granska vad som utgör en våg. En våg definieras som en störning i ett medium som sprider sig från en plats till en annan, som överför energi i processen, men inte överför massa.

I det medium genom vilket vågen rör sig, oscillerar de enskilda molekylerna helt enkelt på plats. Ett bra exempel på detta är en folkmassa på en stadion som gör "vågen". Varje individ står helt enkelt upp och sätter sig ned och svänger på plats medan själva vågen färdas runt hela stadion.

Vågegenskaper inkluderar våglängd (avståndet mellan vågtoppar), frekvens (antalet vågcykler per sekund), period (den tid det tar för en fullständig vågcykel och hastighet (hur snabbt störningen rör sig).

Partikelegenskaper och partikelnatur

Partiklar är distinkta fysiska föremål. De har en väldefinierad position i rymden och när de rör sig från en plats till en annan överför de inte bara energi utan också sin egen massa.

Till skillnad från vågor behöver de inte ett medium för att röra sig. Det är inte heller meningsfullt att beskriva dem med en våglängd, frekvens och period. Istället beskrivs de vanligtvis av sin massa, position och hastighet.

Wave-Particle Duality och elektromagnetisk strålning

När fenomen av ljus först studerades, var forskarna inte överens om det var en våg eller en partikel. Isaac Newtons kroppsliga beskrivning av ljus hävdade att det fungerade som en partikel, och han utvecklade idéer som förklarade reflektion och brytning inom denna ram, även om vissa av hans metoder inte riktigt verkade arbete.

Christiaan Huygens var inte enig med Newton och använde vågteori för att beskriva ljus. Han kunde förklara reflektion och brytning genom att behandla ljus som en våg.

Thomas Youngs berömda dubbel-slits-experiment, som visade störningsmönster i rött ljus associerat med våglikt beteende, stödde också vågteorin.

Debatten om huruvida ljus var en partikel eller en våg tycktes lösa sig när James Clerk Maxwell kom på scenen och beskrev ljus som elektromagnetiska vågor via hans Maxwells ekvationer.

Men det blev snart uppenbart att vågens natur inte tog hänsyn till alla observerade fenomen. Den fotoelektriska effekten, till exempel, kunde bara förklaras om ljus behandlades som en partikel - som fungerade som enstaka fotoner eller ljuskvantor. Denna idé framfördes av Albert Einstein, som vann ett Nobelpris för det.

Således föddes begreppet vågpartikel dualitet. Ljus kunde bara förklaras riktigt om det behandlades som en våg i vissa situationer och som en partikel i andra.

Wave-Particle Duality and Matter

Här blir det ännu mer konstigt. Ljuset visar inte bara denna dualitet, men det visar sig att saken också gör det. Detta upptäcktes av Louis de Broglie.

Denna dualitet kan inte ses alls i makroskopisk skala, men när det gäller att arbeta med elementärt partiklar verkar de ibland fungera som partiklar och andra gånger som vågor, med deras våglängd lika med associerad de Broglie våglängd.

Denna uppfattning ledde till utvecklingen av kvantmekanik, som beskriver partiklar med vågfunktioner, som sedan kan förstås i termer av Schrodinger-ekvationen.

  • Dela med sig
instagram viewer