Kaj je dualnost valov-delec? To je značilnost fotonov in drugih subatomskih delcev, ki se pod nekaterimi pogoji obnašajo kot valovi in pod drugimi kot delci.
Dvojnost valovnih delcev snovi in svetlobe je pomemben del kvantne mehanike, saj najbolje dokazuje dejstvo, da koncepti, kot sta "valovi" in "delci", ki dobro delujejo v klasični mehaniki, niso dovolj za razlage obnašanja nekaterih kvantnih objektov.
Dvojna narava svetlobe je pridobila priznanje v fiziki po letu 1905, ko je Albert Einstein opisal obnašanje svetlobe s pomočjo fotonov, ki so bili opisani kot delci. Nato je Einstein objavil manj znano posebno relativno relativnost, ki je svetlobo opisala kot valovno obnašanje.
Delci, ki kažejo dvojno obnašanje
Najboljše od vsega je načelo dualnosti valov-delecopaženo v obnašanju fotonov. To so najlažji in najmanjši predmeti z dvojnim obnašanjem. Med večjimi predmeti, kot so elementarni delci, atomi in celo molekule, je mogoče opaziti tudi elemente dualnosti valov-delec, vendar se večji predmeti obnašajo kot izjemno kratki valovi, zato jih je zelo težko opazovati. Običajno koncepti, ki se uporabljajo v klasični mehaniki, zadostujejo za opis obnašanja večjih ali makroskopskih delcev.
Dokaz dualnosti valov-delec
Ljudje so razmišljali o naravi svetlobe in snovi že več stoletij in celo tisočletja. Do relativno nedavnega so fiziki verjeli, da morajo biti značilnosti svetlobe in snovi nedvoumne: svetloba je lahko bodisi tok delcev bodisi valovanje, tako kot materija, bodisi sestavljena iz posameznih delcev, ki popolnoma izpolnjujejo zakone Newtonove mehanike, bodisi neprekinjen, neločljiv medij.
Sprva je bila v sodobnem času priljubljena teorija o obnašanju svetlobe kot toka posameznih delcev, torej korpuskularna teorija. Sam Newton se ga je držal. Vendar so kasnejši fiziki, kot so Huygens, Fresnel in Maxwell, ugotovili, da je svetloba val. Obnašanje svetlobe so pojasnili z nihanjem elektromagnetnega polja, interakcija svetlobe in snovi pa je v tem primeru spadala pod razlago klasične teorije polja.
Vendar pa so se fiziki na začetku dvajsetega stoletja soočili z dejstvom, da niti prva niti druga razlaga nista moglapopolnoma pokrivajo področje svetlobnega obnašanja v različnih pogojih in interakcijah.
Od takrat so številni poskusi dokazali dvojnost obnašanja nekaterih delcev. Na pojav in sprejemanje valovno-delcev dvojnosti lastnosti kvantnih objektov pa so še posebej vplivali prvi, najzgodnejši poskusi, ki so končali razpravo o naravi obnašanja svetlobe..
fotoelektrični učinek: svetloba je sestavljena iz delcev
Fotoelektrični učinek, imenovan tudi fotoelektrični učinek, je proces interakcije svetlobe (ali katerega koli drugega elektromagnetnega sevanja) s snovjo, zaradi česar se energija svetlobnih delcev prenese na delce snovi. Med preučevanjem fotoelektričnega učinka vedenja fotoelektronov ni bilo mogoče razložiti s klasično elektromagnetno teorijo.
Heinrich Hertz je že leta 1887 opazil, da je sijajna ultravijolična svetloba na elektrodah povečala njihovo sposobnost ustvarjanja električnih isker. Einstein je leta 1905 fotoelektrični učinek pojasnil z dejstvom, da svetlobo absorbirajo in oddajajo nekateri kvantni deli, ki jih je sprva imenoval svetlobni kvanti, nato pa jih je poimenoval fotoni.
Poskus Roberta Millikena leta 1921 je potrdil Einsteinovo sodbo in privedel do tega, da je slednji prejel Nobelovo nagrado za odkritje fotoelektričnega učinka, sam Millikan pa je leta 1923 prejel Nobelovo nagrado za svoje delo o elementarnih delcih in študij fotoelektričnega učinka.
Davisson-Jermerjev eksperiment: svetloba je val
Davissonova izkušnja - potrdil Germerde Brogliejeva hipoteza o dualnosti valov in delcev svetlobe in je služila kot osnova za oblikovanje zakonov kvantne mehanike.
Oba fizika sta preučevala odboj elektronov od monokristala niklja. Nastavitev, ki se nahaja v vakuumu, je bila sestavljena iz monokristala niklja, zmletega pod določenim kotom. Žarek monokromatskih elektronov je bil usmerjen neposredno pravokotno na ravnino reza.
Poskusi so pokazali, da se zaradi odboja elektroni razpršijo zelo selektivno, torej v vseh odbitih žarkih, ne glede na hitrost in kote, opazimo maksimume in minimume intenzitete. Tako sta Davisson in Germer eksperimentalno potrdila prisotnost valovnih lastnosti v delcih.
Leta 1948 je sovjetski fizik V. A. Fabrikant eksperimentalno potrdil, da valovne funkcije niso neločljive samo v toku elektronov, ampak tudi v vsakem elektronu posebej.
Jungov eksperiment z dvema režama
Praktični eksperiment Thomasa Younga z dvema režama je dokaz, da lahko tako svetloba kot snov izkazujeta značilnosti valov in delcev.
Jungov eksperiment praktično dokazuje naravo dualnosti valov-delec, kljub temu, da je bil prvič izveden na začetku 19. stoletja, še pred pojavom teorije dualizma.
Bistvo eksperimenta je naslednje: vir svetlobe (na primer laserski žarek) se usmeri na ploščo, kjer sta narejeni dve vzporedni reži. Svetloba, ki prehaja skozi reže, se odbija na zaslonu za ploščo.
Vaalna narava svetlobe povzroči, da svetlobni valovi prehajajo skozi reže domešati, pri čemer na zaslonu nastanejo svetle in temne proge, kar se ne bi zgodilo, če bi se svetloba obnašala zgolj kot delci. Vendar zaslon absorbira in odbija svetlobo, fotoelektrični učinek pa je dokaz korpuskularne narave svetlobe.
Kaj je dvojnost snovi med valovi in delci?
Vprašanje, ali se materija lahko obnaša v isti dvojnosti kot svetloba, se je lotil de Broglie. Ima drzno hipotezo, da lahko pod določenimi pogoji in odvisno od eksperimenta ne samo fotoni, ampak tudi elektroni pokažejo dualnost valov in delcev. Broglie je leta 1924 razvil svojo idejo o verjetnostnih valovih ne le fotonov svetlobe, ampak tudi makrodelcev.
Ko je bila hipoteza dokazana z Davisson-Germerjevim eksperimentom in ponovitvijo Youngovega eksperimenta z dvojno režo (z elektroni namesto fotonov), je de Broglie prejel Nobelovo nagrado (1929).
Izkazalo se je, da se lahko materija v pravih okoliščinah obnaša tudi kot klasičen val. Seveda veliki objekti ustvarjajo tako kratke valove, da jih je nesmiselno opazovati, manjši objekti, kot so atomi ali celo molekule, pa imajo opazno valovno dolžino, kar je zelo pomembno za kvantno mehaniko, ki je praktično zgrajena na valovnih funkcijah.
Pomen dualnosti valov-delec
Glavni pomen koncepta dualnosti valov in delcev je, da je vedenje elektromagnetnega sevanja in snovi mogoče opisati z diferencialno enačbo,ki predstavlja valovno funkcijo. Običajno je to Schrödingerjeva enačba. Sposobnost opisovanja realnosti z uporabo valovnih funkcij je v središču kvantne mehanike.
Najpogostejši odgovor na vprašanje, kakšna je dualnost valov-delec, je, da valovna funkcija predstavlja verjetnost, da se na določenem mestu najde določen delec. Z drugimi besedami, verjetnost, da je delec na predvideni lokaciji, naredi val, njegov fizični videz in oblika pa ne.
Kaj je dualnost valov in delcev?
Medtem ko matematika, čeprav na izjemno zapleten način, daje natančne napovedi na podlagi diferencialnih enačb, je pomen teh enačb za kvantno fiziko veliko težje razumeti in razložiti. Poskus pojasnjevanja, kaj je dualnost valov in delcev, je še vedno v središču razprave v kvantni fiziki.
Praktični pomen dualnosti valov-delec je tudi v tem, da se mora vsak fizik naučiti dojemati realnost na zelo zanimiv način, ko razmišljanje o skoraj vsakem predmetu na običajen način ni več dovolj za ustrezno zaznavo realnosti.
