ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น: ภาพรวม

เมื่อมองแวบแรก แนวคิดเรื่องความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นนั้นแปลกจริงๆ คุณน่าจะเคยเรียนเกี่ยวกับคลื่นมาก่อนและรู้ว่ามันเป็นการรบกวนในตัวกลาง และคุณคงได้เรียนรู้เกี่ยวกับอนุภาคซึ่งเป็นวัตถุทางกายภาพที่ไม่ต่อเนื่องกัน ดังนั้น ความคิดที่ว่าบางสิ่งมีคุณสมบัติของทั้งสองจึงอาจดูไม่แปลกเพียง แต่เป็นไปไม่ได้ทางร่างกาย

บทความนี้จะแนะนำคุณเกี่ยวกับแนวคิดเรื่องความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นและให้ภาพรวมว่าแนวคิดนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร และกลายเป็นคำอธิบายที่ยอดเยี่ยมของความเป็นจริงในหลาย ๆ กรณีโดยเฉพาะอย่างยิ่งในขอบเขตของควอนตัม ฟิสิกส์.

มาเริ่มกันด้วยการทบทวนว่าอะไรคือคลื่น คลื่นหมายถึงการรบกวนในตัวกลางที่แพร่กระจายจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยถ่ายโอนพลังงานในกระบวนการ แต่ไม่ถ่ายโอนมวล

ในตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ไปนั้น โมเลกุลแต่ละตัวจะสั่นอยู่กับที่ ตัวอย่างที่ดีคือฝูงชนในสนามกีฬากำลังทำ "คลื่น" แต่ละคนเพียงแค่ยืนขึ้นและนั่งลงโดยสั่นไหวในขณะที่คลื่นเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งสนามกีฬา

คุณสมบัติของคลื่น ได้แก่ ความยาวคลื่น (ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น) ความถี่ (จำนวนรอบคลื่นต่อ วินาที) คาบ (เวลาที่ใช้สำหรับวัฏจักรคลื่นและความเร็วที่สมบูรณ์หนึ่งรอบ

อนุภาคเป็นวัตถุทางกายภาพที่แตกต่างกัน พวกมันมีตำแหน่งที่ชัดเจนในอวกาศ และเมื่อพวกมันเคลื่อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง พวกมันไม่เพียงแต่ถ่ายเทพลังงานเท่านั้น แต่ยังถ่ายเทมวลของพวกมันด้วย

ต่างจากคลื่นตรงที่พวกมันไม่ต้องการตัวกลางในการเคลื่อนที่ นอกจากนี้ยังไม่สมเหตุสมผลที่จะอธิบายด้วยความยาวคลื่น ความถี่ และระยะเวลา แต่มักจะอธิบายด้วยมวล ตำแหน่ง และความเร็ว

เมื่อ ปรากฏการณ์แสง ได้รับการศึกษาครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์ไม่เห็นด้วยกับว่าเป็นคลื่นหรืออนุภาค คำอธิบายเกี่ยวกับรูปร่างของแสงของ Isaac Newton โต้แย้งว่าแสงนั้นทำหน้าที่เป็นอนุภาค และเขาได้พัฒนาความคิด ที่อธิบายการสะท้อนและการหักเหของแสงภายในกรอบนี้ แม้ว่าวิธีการบางอย่างของเขาจะดูไม่ค่อย งาน.

Christiaan Huygens ไม่เห็นด้วยกับ Newton และใช้ทฤษฎีคลื่นเพื่ออธิบายแสง เขาสามารถอธิบายการสะท้อนและการหักเหของแสงได้โดยถือว่าแสงเป็นคลื่น

การทดลองแบบ double-slit ที่มีชื่อเสียงของ Thomas Young ซึ่งแสดงรูปแบบการรบกวนในแสงสีแดงที่เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมคล้ายคลื่น ยังสนับสนุนทฤษฎีคลื่นด้วย

การอภิปรายว่าแสงเป็นอนุภาคหรือคลื่นดูเหมือนจะได้รับการแก้ไขเมื่อ James Clerk Maxwell มาถึงที่เกิดเหตุและอธิบายแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านสมการของ Maxwell

แต่ในไม่ช้าก็เห็นได้ชัดว่าธรรมชาติของคลื่นของแสงไม่ได้อธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ทั้งหมด ตัวอย่างเช่น เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกสามารถอธิบายได้ก็ต่อเมื่อแสงได้รับการปฏิบัติเป็นอนุภาค ซึ่งทำหน้าที่เป็นโฟตอนเดี่ยวหรือควอนตัมแสง แนวคิดนี้นำเสนอโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขานี้

แนวคิดเรื่องความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นจึงถือกำเนิดขึ้น แสงสามารถอธิบายได้อย่างแท้จริงก็ต่อเมื่อถูกมองว่าเป็นคลื่นในบางสถานการณ์และเป็นอนุภาคในบางสถานการณ์เท่านั้น

นี่คือสิ่งที่แปลกประหลาดยิ่งขึ้น แสงไม่เพียงแต่แสดงความเป็นคู่นี้เท่านั้น แต่ปรากฏว่าสสารก็เช่นกัน สิ่งนี้ถูกค้นพบโดย Louis de Broglie

ความเป็นคู่นี้ไม่สามารถมองเห็นได้เลยในระดับมหภาค แต่เมื่อพูดถึงการทำงานกับระดับประถมศึกษา อนุภาคบางครั้งดูเหมือนจะทำหน้าที่เป็นอนุภาคและบางครั้งก็เป็นคลื่นโดยมีความยาวคลื่นเท่ากับ ที่เกี่ยวข้อง ความยาวคลื่นของ Broglie.

แนวคิดนี้นำไปสู่การพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งอธิบายอนุภาคที่มีฟังก์ชันคลื่น ซึ่งสามารถเข้าใจได้ในแง่ของสมการชโรดิงเงอร์