Какво е дуалност вълна-частица? Това е характеристика на фотоните и други субатомни частици, които се държат като вълни при едни условия и като частици при други.
Вълнова-частична дуалност на материя и светлина е важна част от квантовата механика, защото най-добре демонстрира факта, че такива понятия като "вълни" и "частици", които работят добре в класическата механика, не са достатъчни за обяснения за поведението на някои квантови обекти.
Двойната природа на светлината получава признание във физиката след 1905 г., когато Алберт Айнщайн описва поведението на светлината с помощта на фотони, които са описани като частици. Тогава Айнщайн публикува по-малко известната специална теория на относителността, която описва светлината като вълново поведение.
Частици с двойно поведение
Най-доброто от всичко е принципът на дуалността вълна-частицанаблюдавани в поведението на фотоните. Това са най-леките и най-малките обекти, проявяващи двойно поведение. Сред по-големите обекти, като елементарни частици, атоми и дори молекули, също могат да се наблюдават елементи на дуалност вълна-частица, но по-големите обекти се държат като изключително къси вълни, така че са много трудни за наблюдение. Обикновено концепциите, използвани в класическата механика, са достатъчни, за да опишат поведението на по-големите или макроскопични частици.
Доказателство за дуалност вълна-частица
Хората са мислили за природата на светлината и материята в продължение на много векове и дори хилядолетия. До сравнително скоро физиците вярваха, че характеристиките на светлината и материята трябва да бъдат недвусмислени: светлината може да бъде или поток от частици, или вълна, точно като материята, състояща се или от отделни частици, които напълно се подчиняват на законите на нютоновата механика, или да бъде непрекъсната, неразделна среда.
Първоначално, в съвремието, беше популярна теорията за поведението на светлината като поток от отделни частици, тоест корпускулярната теория. Самият Нютон се придържа към него. По-късно обаче физици като Хюйгенс, Френел и Максуел стигат до заключението, че светлината е вълна. Те обясняват поведението на светлината чрез трептене на електромагнитното поле и взаимодействието на светлината и материята в този случай попада в обяснението на класическата теория на полето.
В началото на ХХ век физиците бяха изправени пред факта, че нито първото, нито второто обяснение моженапълно покриват областта на поведението на светлината при различни условия и взаимодействия.
Оттогава многобройни експерименти доказаха двойствеността на поведението на някои частици. Въпреки това, появата и приемането на дуалността вълна-частица на свойствата на квантовите обекти бяха особено повлияни от първите, най-ранни експерименти, които сложиха край на дебата за естеството на поведението на светлината..
Фотоелектричен ефект: светлината се състои от частици
Фотоелектрическият ефект, наричан още фотоелектричен ефект, е процес на взаимодействие на светлината (или всяко друго електромагнитно излъчване) с материята, в резултат на което енергията на светлинните частици се прехвърля към частиците на материята. По време на изследването на фотоелектричния ефект поведението на фотоелектроните не може да бъде обяснено с класическата електромагнитна теория.
Хайнрих Херц отбеляза още през 1887 г., че светещата ултравиолетова светлина върху електродите увеличава способността им да създават електрически искри. Айнщайн през 1905 г. обяснява фотоелектричния ефект с факта, че светлината се абсорбира и излъчва от определени квантови части, които той първоначално нарече светлинни кванти, а след това ги нарече фотони.
Експеримент на Робърт Миликен през 1921 г. потвърждава преценката на Айнщайн и води до факта, че последният получава Нобелова награда за откриването на фотоелектричния ефект, а самият Миликън получава Нобелова награда през 1923 г. за работата си върху елементарните частици и изследването на фотоелектричния ефект.
Експеримент на Дейвиссън-Джермър: светлината е вълна
Опитът на Дейвисън - потвърди ГермерХипотезата на дьо Бройл за дуалността вълна-частица на светлината и послужи като основа за формулиране на законите на квантовата механика.
И двамата физици са изследвали отражението на електрони от никелов монокристал. Устройството, разположено във вакуум, се състоеше от никелов монокристал, смлян под определен ъгъл. Сноп от монохроматични електрони беше насочен директно перпендикулярно на равнината на срязване.
Опитите показват, че в резултат на отражението електроните се разпръскват много избирателно, тоест във всички отразени лъчи, независимо от скоростта и ъглите, се наблюдават максимуми и минимуми на интензитета. Така Дейвисън и Гермър експериментално потвърдиха наличието на вълнови свойства в частиците.
През 1948 г. съветският физик V. A. Fabrikant експериментално потвърждава, че вълновите функции са присъщи не само на потока от електрони, но и на всеки електрон поотделно.
Експеримент на Юнг с два прореза
Практическият експеримент на Томас Йънг с два процепа е демонстрация, че както светлината, така и материята могат да проявяват характеристиките както на вълните, така и на частиците.
Експериментът на Юнг на практика демонстрира естеството на дуалността вълна-частица, въпреки факта, че за първи път е проведен в началото на 19-ти век, дори преди появата на теорията за дуализма.
Същността на експеримента е следната: източник на светлина (например лазерен лъч) се насочва към плоча, където са направени два успоредни прореза. Светлината, преминаваща през процепите, се отразява върху екрана зад плочата.
Вълновата природа на светлината причинява светлинни вълни, преминаващи през процепи къмсмесват, създавайки светли и тъмни ивици на екрана, което нямаше да се случи, ако светлината се държеше чисто като частици. Въпреки това, екранът поглъща и отразява светлината, а фотоелектричният ефект е доказателство за корпускулярната природа на светлината.
Какво е двойственост на материята на вълна-частица?
Въпросът дали материята може да се държи в същата двойственост като светлината, поде Дьо Бройл. Той притежава смела хипотеза, че при определени условия и в зависимост от експеримента, не само фотоните, но и електроните могат да демонстрират дуалност вълна-частица. Бройл развива идеята си за вероятностни вълни не само на фотони на светлината, но и на макрочастици през 1924 г.
Когато хипотезата е доказана с помощта на експеримента на Дейвиссън-Гермър и повтаряйки експеримента с двоен процеп на Йънг (с електрони вместо фотони), де Бройл получава Нобелова награда (1929).
Оказва се, че материята може да се държи като класическа вълна при правилните обстоятелства. Разбира се, големите обекти създават вълни толкова къси, че е безсмислено да ги наблюдаваме, но по-малките обекти, като атоми или дори молекули, показват забележима дължина на вълната, което е много важно за квантовата механика, която на практика е изградена върху вълнови функции.
Значението на дуалността вълна-частица
Основното значение на концепцията за дуалност вълна-частица е, че поведението на електромагнитното излъчване и материята може да бъде описано с помощта на диференциално уравнение,която представлява вълновата функция. Обикновено това е уравнението на Шрьодингер. Способността да се описва реалността с помощта на вълнови функции е в основата на квантовата механика.
Най-често срещаният отговор на въпроса каква е дуалността вълна-частица е, че вълновата функция представлява вероятността за намиране на определена частица на определено място. С други думи, вероятността частица да бъде на предвидено място я прави вълна, но нейният физически вид и форма не са.
Какво е дуалност вълна-частица?
Докато математиката, макар и по изключително сложен начин, прави точни прогнози въз основа на диференциални уравнения, значението на тези уравнения за квантовата физика е много по-трудно за разбиране и обяснение. Опитът да се обясни какво представлява дуалността вълна-частица все още е в центъра на дебата в квантовата физика.
Практическото значение на дуалността вълна-частица се крие и във факта, че всеки физик трябва да се научи да възприема реалността по много интересен начин, когато мисленето за почти всеки обект по обичайния начин вече не е достатъчно за адекватно възприятие на реалността.
