Hvad er bølge-partikel dualitet? Det er karakteristisk for fotoner og andre subatomære partikler, der opfører sig som bølger under nogle forhold og som partikler under andre.
Bølge-partikel-dualitet af stof og lys er en vigtig del af kvantemekanikken, fordi den bedst demonstrerer det faktum, at begreber som "bølger" og "partikler", der fungerer fint i klassisk mekanik, ikke er nok til at forklaringer på nogle kvanteobjekters adfærd.
Lysets dobbelte natur opnåede anerkendelse i fysikken efter 1905, da Albert Einstein beskrev lysets opførsel ved hjælp af fotoner, som blev beskrevet som partikler. Så udgav Einstein den mindre berømte specielle relativitetsteori, som beskrev lys som bølgeadfærd.
Partikler, der udviser dobbelt adfærd
Bedst af alt, princippet om bølge-partikel-dualitetobserveret i opførsel af fotoner. Disse er de letteste og mindste genstande, der udviser dobbelt adfærd. Blandt større objekter, såsom elementære partikler, atomer og endda molekyler, kan elementer af bølge-partikel dualitet også observeres, men større objekter opfører sig som ekstremt korte bølger, så de er meget svære at observere. Norm alt er de begreber, der bruges i klassisk mekanik, tilstrækkelige til at beskrive opførselen af større eller makroskopiske partikler.
Bevis på bølge-partikel-dualitet
Folk har tænkt på lysets og materiens natur i mange århundreder og endda årtusinder. Indtil relativt for nylig mente fysikere, at lysets og stofs egenskaber må være entydige: lys kan være enten en strøm af partikler eller en bølge, ligesom stof, enten bestående af individuelle partikler, der fuldstændig adlyder lovene i den newtonske mekanik, eller være en kontinuerligt, uadskilleligt medium.
Oprindeligt, i moderne tid, var teorien om lysets adfærd som en strøm af individuelle partikler, det vil sige den korpuskulære teori, populær. Newton selv holdt fast ved det. Senere fysikere som Huygens, Fresnel og Maxwell konkluderede imidlertid, at lys er en bølge. De forklarede lysets opførsel ved oscillationen af det elektromagnetiske felt, og samspillet mellem lys og stof faldt i dette tilfælde under forklaringen af den klassiske feltteori.
I begyndelsen af det tyvende århundrede stod fysikerne imidlertid over for, at hverken den første eller anden forklaring kunnedækker fuldstændigt området med lysadfærd under forskellige forhold og interaktioner.
Siden da har adskillige eksperimenter bevist dobbeltheden af nogle partiklers adfærd. Udseendet og accepten af bølge-partikel-dualitet af kvanteobjekters egenskaber blev dog især påvirket af de første, tidligste eksperimenter, som satte en stopper for debatten om arten af lysets adfærd.
Fotoelektrisk effekt: lys består af partikler
Den fotoelektriske effekt, også kaldet den fotoelektriske effekt, er processen med interaktion mellem lys (eller enhver anden elektromagnetisk stråling) med stof, som et resultat af hvilken energien fra lyspartikler overføres til stofpartikler. Under studiet af den fotoelektriske effekt kunne fotoelektronernes opførsel ikke forklares med klassisk elektromagnetisk teori.
Heinrich Hertz bemærkede tilbage i 1887, at skinnende ultraviolet lys på elektroder øgede deres evne til at skabe elektriske gnister. Einstein i 1905 forklarede den fotoelektriske effekt ved, at lys absorberes og udsendes af visse kvantedele, som han oprindeligt kaldte lyskvanter, og derefter døbte dem fotoner.
Et eksperiment af Robert Milliken i 1921 bekræftede Einsteins dom og førte til, at sidstnævnte modtog Nobelprisen for opdagelsen af den fotoelektriske effekt, og Millikan selv modtog Nobelprisen i 1923 for sit arbejde med elementarpartikler og studiet af den fotoelektriske effekt.
Davisson-Jermer-eksperiment: lys er en bølge
Davissons erfaring - Germer bekræftetde Broglies hypotese om lysets bølge-partikel-dualitet og tjente som grundlag for at formulere kvantemekanikkens love.
Begge fysikere studerede refleksionen af elektroner fra en enkelt krystal i nikkel. Opsætningen, der var placeret i et vakuum, bestod af en nikkel-enkeltkrystal, der var jordet i en bestemt vinkel. En stråle af monokromatiske elektroner blev rettet direkte vinkelret på det afskårne plan.
Eksperimenter har vist, at elektroner som et resultat af refleksion spredes meget selektivt, dvs. i alle reflekterede stråler, uanset hastigheder og vinkler, observeres maksima og minima for intensitet. Davisson og Germer bekræftede således eksperimentelt tilstedeværelsen af bølgeegenskaber i partikler.
I 1948 bekræftede den sovjetiske fysiker V. A. Fabrikant eksperimentelt, at bølgefunktioner ikke kun er iboende i strømmen af elektroner, men også i hver elektron separat.
Jungs eksperiment med to sp alter
Thomas Youngs praktiske eksperiment med to sp alter er en demonstration af, at både lys og stof kan udvise karakteristika for både bølger og partikler.
Jungs eksperiment demonstrerer praktisk t alt karakteren af bølge-partikel-dualitet, på trods af at det først blev udført i begyndelsen af det 19. århundrede, selv før dualismeteoriens fremkomst.
Essensen af eksperimentet er som følger: en lyskilde (for eksempel en laserstråle) rettes mod en plade, hvor der er lavet to parallelle slidser. Lys, der passerer gennem sp alterne, reflekteres på skærmen bag pladen.
Lysets bølgenatur får lysbølger, der passerer gennem sp alter, tilblandes, hvilket giver lyse og mørke striber på skærmen, hvilket ikke ville ske, hvis lys udelukkende opførte sig som partikler. Skærmen absorberer og reflekterer imidlertid lys, og den fotoelektriske effekt er et bevis på lysets kropslige natur.
Hvad er bølge-partikel-dualitet af stof?
Spørgsmålet om, hvorvidt materie kan opføre sig i samme dualitet som lys, tog de Broglie op. Han ejer en dristig hypotese om, at under visse betingelser og afhængigt af eksperimentet kan ikke kun fotoner, men også elektroner demonstrere bølge-partikel-dualitet. Broglie udviklede sin idé om sandsynlighedsbølger ikke kun af lysfotoner, men også af makropartikler i 1924.
Da hypotesen blev bevist ved hjælp af Davisson-Germer-eksperimentet og gentagelse af Youngs dobbeltsp alte-eksperiment (med elektroner i stedet for fotoner), modtog de Broglie Nobelprisen (1929).
Det viser sig, at stof også kan opføre sig som en klassisk bølge under de rigtige omstændigheder. Selvfølgelig skaber store objekter bølger så korte, at det er meningsløst at observere dem, men mindre objekter, såsom atomer eller endda molekyler, udviser en mærkbar bølgelængde, hvilket er meget vigtigt for kvantemekanikken, som praktisk t alt er bygget på bølgefunktioner.
Betydningen af bølge-partikel-dualitet
Hovedbetydningen af begrebet bølge-partikel dualitet er, at opførselen af elektromagnetisk stråling og stof kan beskrives ved hjælp af en differentialligning,som repræsenterer bølgefunktionen. Norm alt er dette Schrödinger-ligningen. Evnen til at beskrive virkeligheden ved hjælp af bølgefunktioner er kernen i kvantemekanikken.
Det mest almindelige svar på spørgsmålet om, hvad bølge-partikel dualitet er, er, at bølgefunktionen repræsenterer sandsynligheden for at finde en bestemt partikel et bestemt sted. Med andre ord gør sandsynligheden for, at en partikel befinder sig på en forudsagt placering, den til en bølge, men dens fysiske udseende og form er det ikke.
Hvad er bølge-partikel-dualitet?
Mens matematik, om end på en ekstremt kompleks måde, laver nøjagtige forudsigelser baseret på differentialligninger, er betydningen af disse ligninger for kvantefysik meget sværere at forstå og forklare. Et forsøg på at forklare, hvad bølge-partikel dualitet er, er stadig i centrum for debatten i kvantefysikken.
Den praktiske betydning af bølge-partikel dualitet ligger også i det faktum, at enhver fysiker skal lære at opfatte virkeligheden på en meget interessant måde, når det at tænke på næsten ethvert objekt på den sædvanlige måde ikke længere er nok til en tilstrækkelig perception af virkeligheden.
