Što je dualnost val-čestica? To je karakteristika fotona i drugih subatomskih čestica koje se u nekim uvjetima ponašaju kao valovi, a pod drugim kao čestice.
Dvojnost val-čestica materije i svjetlosti važan je dio kvantne mehanike, jer najbolje pokazuje činjenicu da koncepti kao što su "valovi" i "čestice", koji dobro funkcioniraju u klasičnoj mehanici, nisu dovoljni za objašnjenja ponašanja nekih kvantnih objekata.
Dvojna priroda svjetlosti dobila je priznanje u fizici nakon 1905. godine, kada je Albert Einstein opisao ponašanje svjetlosti koristeći fotone, koji su opisani kao čestice. Zatim je Einstein objavio manje poznatu specijalnu relativnost, koja opisuje svjetlost kao ponašanje valova.
Čestice koje pokazuju dvostruko ponašanje
Najbolje od svega, princip dualnosti val-česticapromatrano u ponašanju fotona. To su najlakši i najmanji objekti koji pokazuju dvostruko ponašanje. Među većim objektima, kao što su elementarne čestice, atomi, pa čak i molekule, mogu se uočiti i elementi dualnosti val-čestica, ali se veći objekti ponašaju poput izrazito kratkih valova pa ih je vrlo teško promatrati. Obično su koncepti koji se koriste u klasičnoj mehanici dovoljni za opisivanje ponašanja većih ili makroskopskih čestica.
Dokaz dualnosti val-čestica
Ljudi razmišljaju o prirodi svjetlosti i materije stoljećima, pa čak i tisućljećima. Do relativno nedavno, fizičari su vjerovali da karakteristike svjetlosti i materije moraju biti nedvosmislene: svjetlost može biti ili struja čestica ili val, baš kao i materija, bilo da se sastoji od pojedinačnih čestica koje se u potpunosti pokoravaju zakonima Newtonove mehanike, bilo da je kontinuirani, neodvojivi medij.
U početku, u moderno doba, bila je popularna teorija o ponašanju svjetlosti kao struje pojedinačnih čestica, odnosno korpuskularna teorija. Njega se pridržavao i sam Newton. Međutim, kasniji fizičari kao što su Huygens, Fresnel i Maxwell zaključili su da je svjetlost val. Objasnili su ponašanje svjetlosti oscilacijom elektromagnetskog polja, a interakcija svjetlosti i materije u ovom slučaju potpada pod objašnjenje klasične teorije polja.
Međutim, početkom dvadesetog stoljeća fizičari su bili suočeni s činjenicom da ni prvo ni drugo objašnjenje nisu moglipotpuno pokrivaju područje svjetlosnog ponašanja u raznim uvjetima i interakcijama.
Otada su brojni eksperimenti dokazali dualnost ponašanja nekih čestica. Međutim, na pojavu i prihvaćanje valno-čestičnog dualiteta svojstava kvantnih objekata posebno su utjecali prvi, najraniji eksperimenti, koji su stavili točku na raspravu o prirodi ponašanja svjetlosti..
Fotoelektrični efekt: svjetlost se sastoji od čestica
Fotoelektrični efekt, koji se također naziva fotoelektrični efekt, je proces interakcije svjetlosti (ili bilo kojeg drugog elektromagnetskog zračenja) s materijom, uslijed čega se energija svjetlosnih čestica prenosi na čestice tvari. Tijekom proučavanja fotoelektričnog efekta, ponašanje fotoelektrona nije se moglo objasniti klasičnom elektromagnetskom teorijom.
Heinrich Hertz je još 1887. godine primijetio da blještavo ultraljubičasto svjetlo na elektrodama povećava njihovu sposobnost stvaranja električnih iskri. Einstein je 1905. objasnio fotoelektrični efekt činjenicom da svjetlost apsorbiraju i emitiraju određeni kvantni dijelovi, koje je u početku nazvao kvanti svjetlosti, a zatim ih nazvao fotonima.
Eksperiment Roberta Millikena 1921. godine potvrdio je Einsteinovu prosudbu i doveo do toga da je potonji dobio Nobelovu nagradu za otkriće fotoelektričnog efekta, a sam Millikan dobio je Nobelovu nagradu 1923. za svoj rad na elementarnim česticama i proučavanje fotoelektričnog efekta.
Davisson-Jermerov eksperiment: svjetlost je val
Davissonovo iskustvo - potvrdio je Germerde Broglieova hipoteza o dualnosti vala-čestica svjetlosti i poslužila je kao osnova za formuliranje zakona kvantne mehanike.
Oba su fizičara proučavala refleksiju elektrona od monokristala nikla. Postavka, smještena u vakuumu, sastojala se od jednog kristala nikla mljevenog pod određenim kutom. Snop monokromatskih elektrona bio je usmjeren izravno okomito na ravninu reza.
Pokusi su pokazali da se kao rezultat refleksije elektroni raspršuju vrlo selektivno, odnosno u svim reflektiranim snopovima, bez obzira na brzine i kutove, uočavaju se maksimumi i minimumi intenziteta. Tako su Davisson i Germer eksperimentalno potvrdili prisutnost valnih svojstava u česticama.
Godine 1948., sovjetski fizičar V. A. Fabrikant eksperimentalno je potvrdio da valne funkcije nisu inherentne samo protoku elektrona, već i svakom elektronu zasebno.
Jungov eksperiment s dva proreza
Praktični eksperiment Thomasa Younga s dva proreza je demonstracija da i svjetlost i materija mogu pokazati karakteristike valova i čestica.
Jungov eksperiment praktički pokazuje prirodu dualnosti val-čestica, unatoč činjenici da je prvi put proveden početkom 19. stoljeća, čak i prije pojave teorije dualizma.
Suština eksperimenta je sljedeća: izvor svjetlosti (na primjer, laserska zraka) usmjerava se na ploču na kojoj su napravljena dva paralelna proreza. Svjetlost koja prolazi kroz proreze reflektira se na ekranu iza ploče.
Valna priroda svjetlosti uzrokuje da svjetlosni valovi prolaze kroz proreze domiješati, stvarajući svijetle i tamne pruge na ekranu, što se ne bi dogodilo da se svjetlost ponašala kao čestice. Međutim, zaslon apsorbira i reflektira svjetlost, a fotoelektrični efekt je dokaz korpuskularne prirode svjetlosti.
Što je val-čestica dualnost materije?
Pitanje može li se materija ponašati u istoj dualnosti kao svjetlost, de Broglie se pozabavio. Posjeduje smjelu hipotezu da, pod određenim uvjetima i ovisno o eksperimentu, ne samo fotoni, već i elektroni mogu pokazati dualnost val-čestica. Broglie je razvio svoju ideju o valovima vjerojatnosti ne samo fotona svjetlosti, već i makročestica 1924.
Kada je hipoteza dokazana pomoću Davisson-Germerovog eksperimenta i ponavljanja Youngovog eksperimenta s dvostrukim prorezom (s elektronima umjesto fotona), de Broglie je dobio Nobelovu nagradu (1929).
Ispostavilo se da se materija također može ponašati kao klasični val pod pravim okolnostima. Naravno, veliki objekti stvaraju valove tako kratke da ih je besmisleno promatrati, ali manji objekti, poput atoma ili čak molekula, pokazuju primjetnu valnu duljinu, što je vrlo važno za kvantnu mehaniku, koja je praktički izgrađena na valnim funkcijama.
Značenje dualnosti val-čestica
Glavno značenje koncepta dualnosti val-čestica je da se ponašanje elektromagnetskog zračenja i materije može opisati pomoću diferencijalne jednadžbe,koji predstavlja valnu funkciju. Obično je to Schrödingerova jednadžba. Sposobnost opisivanja stvarnosti pomoću valnih funkcija u središtu je kvantne mehanike.
Najčešći odgovor na pitanje što je dualnost val-čestica je da valna funkcija predstavlja vjerojatnost pronalaska određene čestice na određenom mjestu. Drugim riječima, vjerojatnost da se čestica nalazi na predviđenom mjestu čini je valom, ali njezin fizički izgled i oblik nisu.
Što je dualnost val-čestica?
Dok matematika, iako na iznimno složen način, daje točna predviđanja na temelju diferencijalnih jednadžbi, značenje ovih jednadžbi za kvantnu fiziku mnogo je teže razumjeti i objasniti. Pokušaj da se objasni što je dualnost val-čestica još uvijek je u središtu rasprave u kvantnoj fizici.
Praktični značaj dualnosti val-čestica također leži u činjenici da svaki fizičar mora naučiti percipirati stvarnost na vrlo zanimljiv način, kada razmišljanje o gotovo svakom objektu na uobičajen način više nije dovoljno za adekvatnu percepciju stvarnosti.
