Дуализм волна-частица

Дуализм волна-частица - это, пожалуй, одна из самых запутанных концепций в физике, потому что он так не похож на то, что мы видим в обычном мире.

Физики, изучавшие свет в 1700-х и 1800-х годах, спорили о том, состоит ли свет из частиц или из волн. Кажется, что свет состоит и из того, и из другого. Иногда кажется, что свет движется только по прямой линии, как будто он состоит из частиц. Но другие эксперименты показывают, что свет имеет частоту и длину волны, как звуковая волна или волна в воде. До XX века большинство физиков считали, что свет - это либо одно, либо другое, и что ученые, стоящие по другую сторону спора, просто ошибаются.

Текущая ситуация

Над этой проблемой работали Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Луи де Бройль, Артур Комптон, Нильс Бор. Современная научная теория гласит, что все частицы ведут себя и как волны, и как частицы. Это было проверено для элементарных частиц и для составных частиц, таких как атомы и молекулы. Для макроскопических частиц, из-за их чрезвычайно коротких длин волн, волновые свойства обычно не могут быть обнаружены.

Эксперимент

В 1909 году ученый по имени Джеффри Тейлор решил, что он собирается решить этот спор раз и навсегда. Он позаимствовал эксперимент, придуманный ранее Томасом Янгом, в котором свет проникал через два небольших отверстия, расположенных рядом друг с другом. Когда яркий свет проникал через эти два маленьких отверстия, создавалась интерференционная картина, которая, казалось, показывала, что свет на самом деле является волной.

Идея Тейлора заключалась в том, чтобы сфотографировать свет, выходящий из отверстий, с помощью специальной камеры, необычайно чувствительной к свету. Когда яркий свет проникал через отверстия, на фотографии появлялась интерференционная картина, точно такая же, какую ранее демонстрировал Янг. Затем Тейлор уменьшил яркость света до очень тусклого уровня. Когда свет стал достаточно тусклым, на фотографиях Тейлора были видны крошечные точечки света, рассеивающиеся из отверстий. Это, казалось, показывало, что свет на самом деле является частицей. Если Тейлор позволял тусклому свету светить через отверстия достаточно долго, точки в конечном итоге заполняли фотографию, создавая интерференционную картину. Это продемонстрировало, что свет каким-то образом является одновременно и волной, и частицей.

Чтобы еще больше запутать ситуацию, Луи де Бройль предположил, что материя может действовать таким же образом. Затем ученые провели те же эксперименты с электронами и обнаружили, что электроны тоже являются одновременно частицами и волнами. Электроны можно использовать для проведения эксперимента Юнга с двойной щелью.

Сегодня эти эксперименты были проведены столькими разными способами столькими разными людьми, что ученые просто признают, что и материя, и свет каким-то образом являются и волнами, и частицами. Ученые все еще не знают, как это может быть, но они совершенно уверены, что это правда. Хотя кажется невозможным понять, как что-либо может быть одновременно волной и частицей, ученые все же имеют ряд уравнений для описания этих вещей, которые имеют переменные для длины волны (свойство волны) и импульса (свойство частицы). Эта кажущаяся невозможность называется дуализмом волна-частица.

Основная теория

Дуализм волна-частица означает, что все частицы проявляют свойства как волны, так и частицы. Это центральная концепция квантовой механики. Классические понятия, такие как "частица" и "волна", не полностью описывают поведение объектов квантового масштаба.

Частицы как волны

Электрон имеет длину волны, называемую "длиной волны де Бройля". Она может быть рассчитана с помощью уравнения

λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}} $\lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}$

λ D {\displaystyle \lambda _{D}} $\lambda _{D}$ - это длина волны де Бройля.

h {\displaystyle h} $h$ - постоянная Планка.

ρ {\displaystyle \rho } $\rho$ - это импульс частицы.

В результате возникла идея о том, что электроны в атомах имеют вид стоячей волны.

Волны как частицы

Фотоэлектрический эффект показывает, что фотон света, обладающий достаточной энергией (достаточно высокой частоты), может вызвать высвобождение электрона с поверхности металла. Электроны в этом случае можно назвать фотоэлектронами.