На перший погляд поняття подвійності хвильових частинок справді дивне. Ви, напевно, вже дізналися про хвилі і знаєте, що вони є порушенням у середовищі, і, ймовірно, ви дізналися про частинки, які є дискретними фізичними об’єктами. Тож думка про те, що деякі речі мають властивості обох, може здатися не лише дивним, але й фізично неможливим.
Ця стаття познайомить вас з ідеєю подвійності хвильових частинок і дасть огляд того, як виникла концепція і як це виявляється чудовим описом реальності у багатьох випадках, особливо у сфері квантів фізика.
Хвилі та хвилеподібні властивості
Почнемо з розгляду того, що становить хвиля. Хвиля визначається як збурення в середовищі, яке поширюється з одного місця в інше, передаючи енергію в процесі, але не переносячи масу.
У середовищі, через яке рухається хвиля, окремі молекули просто коливаються на місці. Хороший приклад цього - натовп на стадіоні, який робить "хвилю". Кожна людина просто встає і сідає, коливаючись на місці, тоді як сама хвиля обходить весь стадіон.
Властивості хвилі включають довжину хвилі (відстань між піками хвилі), частоту (кількість хвильових циклів на по-друге), період (час, необхідний для одного повного хвильового циклу та швидкості (наскільки швидко рухається збурення).
Властивості частинок і природа частинок
Частинки - це різні фізичні об’єкти. Вони мають чітко визначене положення в просторі, і коли вони переходять з одного місця в інше, вони не тільки передають енергію, але й власну масу.
На відміну від хвиль, їм не потрібно середовище, через яке можна рухатися. Також немає сенсу описувати їх із довжиною хвилі, частотою та періодом. Натомість їх зазвичай описують за масою, положенням і швидкістю.
Подвійність хвильових частинок та електромагнітне випромінювання
Коли явище світла вперше вивчався, вчені не погодились щодо того, це хвиля чи частинка. Корпускулярний опис світла Ісаака Ньютона стверджував, що воно діяло як частинка, і він розвивав ідеї що пояснювало відображення і заломлення в цих рамках, хоча деякі з його методів, здавалося, не зовсім робота.
Крістіан Гюйгенс не погодився з Ньютоном і використовував теорію хвиль для опису світла. Він зміг пояснити відбиття і заломлення, розглядаючи світло як хвилю.
Відомий експеримент Томаса Янга з подвійною щілиною, який продемонстрував інтерференційні моделі в червоному світлі, пов’язані з хвилеподібною поведінкою, також підтримав теорію хвиль.
Дискусія щодо того, чи є світло частинкою чи хвилею, здавалося, була вирішена, коли Джеймс Клерк Максвелл вийшов на сцену і описав світло як електромагнітні хвилі за допомогою рівнянь Максвелла.
Але незабаром стало очевидним, що хвильова природа світла не враховує всіх спостережуваних явищ. Наприклад, фотоелектричний ефект можна було б пояснити, лише якщо світло розглядали як частинку - діючи як поодинокі фотони або кванти світла. Цю ідею висунув Альберт Ейнштейн, який за це отримав Нобелівську премію.
Так народилося поняття подвійності хвильових частинок. Світло можна було б по-справжньому пояснити, лише якщо в одних ситуаціях його трактували як хвилю, а в інших - як частинку.
Подвійність та матерія хвильових частинок
Ось де все стає ще більш дивним. Мало того, що світло відображає цю подвійність, але виявляється, що це робить і матерія. Це виявив Луї де Бройль.
Цю подвійність не можна побачити взагалі в макроскопічному масштабі, але коли мова заходить про роботу з елементарним частинки, вони іноді виглядають як частинки, а інколи - як хвилі, їх довжина хвилі дорівнює пов'язані довжина хвилі де Бройля.
Це поняття призвело до розвитку квантової механіки, яка описує частинки з хвильовими функціями, які потім можна зрозуміти з точки зору рівняння Шредінгера.