Tolkning av partikkel-bølge-dualiteten til lysets egenskaper. Bølge-partikkel dualitet

Begrepet "dualisme" i fysikk betyr i vid forstand:

1) eksistensen av motsatte egenskaper i fysiske objekter;

2) bruk av motstridende begreper når man skal beskrive og forklare fysiske fenomener;

3) tilstedeværelsen av motstridende (gjensidig utelukkende) uttalelser i formuleringen av lover som styrer fysiske fenomener.

De mest grunnleggende manifestasjonene av dualisme er:

1) korpuskulær- bølge dualisme i egenskapene til elementære partikler;

2) tilstedeværelsen i naturen av partikler og antipartikler, motsatte elektriske ladninger, forskjellige tegn på lepton- og baryontall (se del IV, § 23), etc.;

3) motsatte egenskaper til partikler av materie og kraftfelt, dvs. "korpuskulær" og "felt" materie;

4) bruk av begrepene «energi» og «arbeid»;

5) eksistensen i fysiske systemer av frastøtende og attraktive krefter, hvis samtidige handling bestemmer egenskapene til fysiske systemer;

6) sammenheng mellom kvantitative og kvalitative endringer i egenskapene til fysiske systemer;

7) entydighet og sannsynlighet i fysikkens lover;

8) diskretitet og kontinuitet i naturen, sammenhengen mellom dem, etc.

Essensen av dualisme (dvs. innholdet i begrepene "motsatte egenskaper", "begreper", "utsagn") kan vises med eksemplet på en kombinasjon av korpuskulær- og bølgeegenskaper til elementærpartikler (fotoner, elektroner, etc.) . Teksten (se del IV, § 10-12) viste at:

1) korpuskulære og bølgeegenskaper til partikler er uadskillelige fra hverandre. Hver partikkel har begge disse egenskapene i enhet og

gjensidig betingelse, og det er ingen måte å frata en partikkel en av disse egenskapene. Tilsynelatende er det ingen partikler som bare har korpuskulære eller bare bølgeegenskaper;

2) korpuskulære og bølgeegenskaper er irreduserbare for hverandre. Dette betyr at bølgeegenskapene til en partikkel ikke kan forklares gjennom de korpuskulære, og omvendt;

3) korpuskulære og bølgeegenskaper er uløselig forbundet.

Bølge-partikkel dualitet ligger til grunn kvantefysikk, som beskriver mikrofysiske systemer og prosesser. Dermed er en av de viktigste grenene av moderne fysikk dualistisk i natur og innhold. Den kontinuerlige bølgefunksjonen til partikler og fysiske systemer, på den ene siden, og de korpuskulære egenskapene til disse samme partiklene og systemene, på den andre, eksisterer i kvantefysikk i enhet og gjensidig forbindelse. Alle forsøk på å eliminere denne dualismen var mislykket. Derfor kan det hevdes at dualisme i kvanteteori ikke er midlertidig, tilfeldig, bivirkning, forårsaket for eksempel av vanskelighetene med å beskrive mikrofysiske systemer, men en refleksjon av den objektive dualismen som råder i naturen.

La oss vurdere en annen manifestasjon av dualisme i naturen - tilstedeværelsen av partikler og antipartikler. La oss først merke oss det fysiske egenskaper partikler kan deles inn i to grupper:

1) egenskaper som er forskjellige mellom forskjellige partikler bare i størrelse; Den viktigste av dem er inert masse. Legg merke til at masse ikke er en additiv egenskap (massen til et fysisk system er mindre enn summen av massene av partikler som er målt i fri tilstand), den avhenger av partikkelens tilstand (bevegelseshastighet) og forholdene hvor partikkelen er lokalisert (massen av nukleoner i feltet av kjernekrefter er forskjellig fra deres masse utenfor kjernen);

2) egenskaper som skiller seg kvalitativt, for eksempel motsatte elektriske ladninger. Merk at ladninger er additivitet og ikke avhenger av bevegelseshastigheten og av forholdene som de ladede partiklene befinner seg i. Dette betyr at ladninger (så vel som leptoniske og baryon-tall) er mer grunnleggende egenskaper ved partikler enn treghetsmasse.

Elementærpartikler kan sorteres i henhold til et sett med iboende grunnleggende egenskaper. Avhengig av arten og antallet av disse egenskapene, bestemmes innholdet av slike konsepter som "identiske" eller "forskjellige" partikler. Det er åpenbart at identiteten til partikler (eller fysiske objekter generelt) er det begrensende tilfellet av likhet, når det ikke er noen forskjell mellom objektene: verken i settet av egenskaper som er iboende til dem, eller i deres struktur, tilstand og oppførsel i ulike forhold(slike identiske gjenstander er elementærpartikler av en viss type, plassert under samme forhold). Motstanden til fysiske objekter bør betraktes som et ekstremt tilfelle av forskjell, når denne forskjellen er fullstendig, det vil si at objektene ikke har noen identiske egenskaper.

Merk at partikler og antipartikler i denne forstand ikke er motsetninger, siden de i tillegg til å være forskjellige, også har de samme egenskapene (for eksempel har et elektron og et positron forskjellige ladninger, men samme spinn og hvilemasse). Dermed er partikler og antipartikler polare, men ikke motsatte objekter.

I forbindelse med ovenstående oppstår følgende spørsmål:

1) finnes "motsatte objekter" i naturen;

2) er interaksjon mellom dem mulig, hva er egenskapene til denne interaksjonen og dens betydning i naturen;

3) hvordan er interaksjoner mellom identiske, polare og motsatte objekter forskjellig?

Diskusjon av disse spørsmålene har viktig ideologisk betydning; positive resultater Denne diskusjonen vil tillate oss å klargjøre våre ideer om hvordan naturen rundt oss fungerer. En slik diskusjon bør gjennomføres på grunnlag av en viss filosofisk system og vil dekke alle grener av fysikk. Spesielt kan vi tro at de motsatte objektene i naturen er "materie" og "felt". Med "materie" mener vi vanligvis elementærpartikler og systemer sammensatt av dem: atomkjerner, atomer, molekyler, etc.; "felt" refererer til ulike kraftfelt: gravitasjonsfelt, elektromagnetisk, kjernefysisk, etc. Det er to ideer om felt. En av dem antar at felt kontinuerlig fyller rommet rundt materiepartikler og, som er "på en spesiell måte" knyttet til dem, bestemmer arten og intensiteten av samspillet mellom dem. Et annet syn antyder at hvert felt består av "spesielle feltpartikler" som sendes ut og absorberes av materiepartikler og derved genererer interaksjonskrefter mellom dem. For eksempel anses det elektromagnetiske feltet å bestå av fotoner ("fotonisk gass"); hvis antallet per volumenhet er veldig stort, vil det elektromagnetiske feltet oppføre seg som et kontinuerlig medium; hvis dette tallet er lite og prosesser der individuelle fotoner deltar studeres, mister begrepet et elektromagnetisk felt som et kontinuerlig medium sin betydning.

Her er det nødvendig å understreke at de i dag eksisterende ideene om materie og felt ikke bør anses som endelige. Utviklingen av eksperimentell og teoretisk fysikk kan føre ikke bare til avklaring, men også til radikale endringer i våre ideer om naturen og essensen av fenomenene som oppstår i den. Det er mulig at i fremtiden vil monistiske verdensbilder triumfere, ifølge hvilke naturen består av: 1) enten bare partikler av materie, og feltet er bare en måte å beskrive samspillet mellom dem; 2) enten bare fra forskjellige felt, og materiepartikler er bare deres "spesielle punkter". Det er imidlertid mulig at alle kjente eksperimentelle data vil få en tilfredsstillende forklaring på grunnlag av et dualistisk verdensbilde, der materie og felt anses å være motsatte objekter, irreduserbare og uatskillelige fra hverandre, hvis uløselige samspill er grunnlaget. av alle naturfenomener vi observerer.

Dualisme avsløres også i den samtidige eksistensen av en sannsynlighet og entydig beskrivelse av fysiske fenomener. Den klassiske, strengt deterministiske beskrivelsen kan ikke utelukkes fra fysikken; det er nødvendig å beskrive det mest sannsynlige forløpet av fysiske fenomener. På den annen side er det alltid en spredning i tilstandene til objektene som studeres (og fysiske mengder, som beskriver disse tilstandene), og denne spredningen er sannsynlighetsmessig av natur. For tiden anses den objektive eksistensen av sannsynlige prosesser i naturen som teoretisk og eksperimentelt underbygget; i kvantefysikk (se del IV, § 10, 11) er det unike i oppførselen til elementærpartikler og mikrosystemer generelt benektet. Dette betyr ikke en fullstendig fornektelse av unikhet (determinisme) i naturen, men kun en begrensning av handlingsrommet. Sikkerhet og sannsynlighet er dualistiske begreper; de er uadskillelige (sannsynlighetsspredning eksisterer rundt de mest sannsynlige verdiene inkludert i entydige lover), irreduserbare (det er umulig å begrense seg til bare én måte å beskrive fysiske fenomener på), og deres gjensidige sammenheng kan sees i nesten alle grener av fysikk.

Dualisme i elementærpartikler har en betydelig viktig i dannelsen av egenskapene til fysiske systemer dannet fra disse partiklene. Tatt i betraktning kjente mikrofysiske systemer kan man legge merke til at de til slutt er dannet av ulike partikler. Identiske partikler samhandler enten ikke, eller så frastøter de hverandre og danner ikke et fysisk system med kvalitativt nye egenskaper. For eksempel danner protoner, nøytroner og elektroner hver for seg ikke fysiske systemer, men når de kombineres sammen danner de kjerner og atomer av forskjellige stoffer. Det kan hevdes at i en samling av identiske elementærpartikler er det alltid et enkelt (additivt) tillegg av egenskapene deres. Bare under samspillet mellom partikler med motsatte egenskaper, oppstår en spesiell (kvalitativ) syntese av disse egenskapene, på grunn av hvilken fysiske systemer får nye egenskaper. Dermed kan det hevdes at fremveksten av kvalitativt nye egenskaper bare er mulig gjennom samspillet mellom vesentlig forskjellige partikler.

Naturens objektive dualisme gjenspeiles i det viktigste fysiske konsepter. Et typisk eksempel er begrepene diskretitet og kontinuitet. De er ikke reduserbare for hverandre; ellers kan man være begrenset til å bruke bare ett av disse konseptene. I fysikkens historie er det kjent forsøk på å utelukke diskrethet eller kontinuitet fra beskrivelsen av fenomener, men de lyktes ikke. De er uatskillelige fra hverandre og uløselig forbundet i alle fysiske fenomener, siden de nødvendigvis involverer partikler og felt, og introduserer elementer av diskrethet og kontinuitet med deres grunnleggende egenskaper.

Avslutningsvis bemerker vi at fysikken i seg selv som en vitenskap utvikler seg på grunnlag av samspillet mellom to motsatte deler - teoretiske og eksperimentelle, som er uatskillelige og sammenkoblede, irreduserbare for hverandre og samhandler, og bestemmer retningen og utviklingen av det fysiske. vitenskaper.

Lys har lenge vært et av hovedobjektene for studiet. Mange forskere søkte å forstå dens natur, men dette var vanskelig å gjøre pga funksjonshemninger. Den aller første teorien som forsøkte å forklare lysets natur var bølgeteorien. Lenge ble det ansett som riktig og sant, og det var ingen forutsetninger for at bølge-partikkel-dualitet skulle dannes. På den tiden var det en oppfatning i fysikken at lys i sin natur var en bølge, og atomer og andre små partikler hadde bare korpuskulære egenskaper.

Teorien begynte å kollapse fordi den ikke kunne forklares Som et resultat av eksperimentene hans antok Rutherford at atomkjernen er i sentrum, hoveddelen av massen er konsentrert der, og elektronene er fordelt over hele atomet. hele volumet, som fritt fyller plassen. Men teorien ble ikke bekreftet, fordi et slikt system ifølge beregninger ikke kunne være stabilt.

Forutsetninger for dannelsen ny teori

Senere ble fenomenet fotoelektrisk effekt oppdaget, som gikk utover rammen av klassisk fysikk, som dominerte på den tiden. Deretter var det den fotoelektriske effekten som bidro til å danne partikkelbølgedualisme, fordi dette førte til behovet for å skape. Dens særegenhet var at partiklene fikk egenskaper som ville vært umulige hvis de ble vurdert i lys av prinsippene for klassisk fysikk. Bølge-partikkel-dualitet ble en av de første teoriene som ble studert i det nye

Essensen av den fotoelektriske effekten var at vanlige stoffer, når de utsettes for kortbølget stråling, sender ut raske elektroner. Hovedavviket med klassisk fysikk var det faktum at energien til de utsendte raske elektronene ikke var avhengig av intensiteten til strålingen. Det eneste som betydde noe var egenskapene til selve stoffet, samt frekvensen på strålingen. På den tiden var det ikke mulig å forklare mekanismene for frigjøring av fotoelektroner basert på tilgjengelige data.

Bølgeteorien virket harmonisk og ubestridelig. I følge den var strålingsenergien jevnt fordelt i lysbølgen. Når hun treffer et elektron, forteller hun ham det et visst beløp energi, i henhold til denne teorien, jo høyere intensitet, jo større energi. Men i virkeligheten ble alt noe annerledes.

Utvikling av ideen om dualisme

Albert Einstein begynte å uttrykke ideer om lysets diskrete natur. Kvantefeltteori og konsepter om kvantefelt begynte også å utvikle seg, noe som bidro til å danne bølge-partikkel-dualitet.

Poenget er at lys kan påvirkes, derfor har det de fysiske egenskapene til en strøm av partikler - fotoner. Men samtidig, i fenomener som diffraksjon, viser den åpenbare bølgeegenskaper. En rekke eksperimenter har blitt utført som beviser dualiteten til lysets struktur. Det var på deres grunnlag at lysets bølge-partikkeldualisme ble bygget, dvs. fotonet viser korpuskulære egenskaper, men i en rekke eksperimenter hadde det klare manifestasjoner av bølgeegenskaper.

Du må forstå at slike ideer for øyeblikket er kun av historisk interesse. Bølge-partikkel-dualismen av materiens egenskaper ble dannet som en teori i perioden da studiet av slike egenskaper så vidt begynte, og samtidig ble det faktisk grunnlagt nye grener av fysikken. En slik teori var et forsøk på å forklare nye fenomener i klassisk fysikks språk.

Faktisk, fra kvantefysikkens synspunkt, er slike objekter ikke partikler, i det minste i klassisk forstand. De skaffer seg visse eiendommer bare når de blir kontaktet. Imidlertid brukes teorien om dualisme fortsatt for å forklare visse prinsipper for lysets natur.

Bølge-partikkel dualitet– egenskapen til enhver mikropartikkel til å oppdage tegn på en partikkel (korpuskel) og en bølge. Bølge-partikkel-dualiteten manifesterer seg tydeligst i elementærpartikler. Et elektron, et nøytron, et foton oppfører seg under noen forhold som godt lokaliserte materielle objekter (partikler) i rommet, og beveger seg med visse energier og impulser langs klassiske baner, og i andre, som bølger, noe som manifesteres i deres evne til å forstyrre og diffraksjon. Så elektromagnetisk bølge, spredning på frie elektroner, oppfører seg som en strøm av individuelle partikler - fotoner, som er kvanter av det elektromagnetiske feltet (Compton-effekten), og impulsen til fotonet er gitt av formelen p = h/λ, hvor λ er lengden av den elektromagnetiske bølgen, og h er Plancks konstant. Denne formelen i seg selv er bevis på dualisme. I den, til venstre er bevegelsesmengden til en individuell partikkel (foton), og til høyre er bølgelengden til fotonet.

Dualiteten av elektroner, som vi er vant til å betrakte som partikler, manifesteres i det faktum at når den reflekteres fra overflaten til en enkelt krystall, observeres et diffraksjonsmønster, som er en manifestasjon av elektronenes bølgeegenskaper. Det kvantitative forholdet mellom korpuskulær- og bølgekarakteristikkene til et elektron er det samme som for et foton: р = h/λ (р er impulsen til elektronet, og λ er dets de Broglie-bølgelengde). Bølge-partikkel dualitet er grunnlaget for kvantefysikk.

Bølge (pels) er en prosess som alltid er forbundet med et materiell miljø som opptar et visst volum i rommet.

Utviklingen av ideer om stoffets korpuskulære bølgeegenskaper mottatt i hypotesen om bølgenaturen til bevegelsen til mikropartikler. Louis de Broglie, fra ideen om symmetri i naturen for partikler av materie og lys, tilskrev enhver mikropartikkel en viss intern periodisk prosess (1924). Ved å kombinere formlene E = hν og E = mc 2, fikk han en relasjon som viser at enhver partikkel har sin egen bølgelengde : λ B = h/mv = h/p, hvor p er impulsen til bølgepartikkelen. For eksempel, for et elektron med en energi på 10 eV, er de Broglie-bølgelengden 0,388 nm. Deretter ble det vist at tilstanden til en mikropartikkel i kvantemekanikk kan beskrives av et bestemt kompleks bølgefunksjon koordinatene Ψ(q), og kvadratmodulen til denne funksjonen |Ψ| 2 definerer sannsynlighetsfordelingen av koordinatverdier. Denne funksjonen ble først introdusert i kvantemekanikken av Schrödinger i 1926. Dermed bærer ikke de Broglie-bølgen energi, men reflekterer bare "fasefordelingen" til en eller annen sannsynlig periodisk prosess i rommet. Følgelig er beskrivelsen av tilstanden til mikroverdenobjekter sannsynlig natur, i motsetning til objekter i makroverdenen, som er beskrevet av lovene i klassisk mekanikk.

For å bevise de Broglies idé om bølgenaturen til mikropartikler, foreslo den tyske fysikeren Elsasser å bruke krystaller for å observere elektrondiffraksjon (1925). I USA oppdaget K. Davisson og L. Germer fenomenet diffraksjon når en elektronstråle passerer gjennom en plate av nikkelkrystall (1927). Uavhengig av dem ble diffraksjonen av elektroner som passerer gjennom metallfolie oppdaget av J.P. Thomson i England og P.S. Tartakovsky i USSR. Dermed fant de Broglies idé om bølgeegenskapene til materie eksperimentell bekreftelse. Deretter ble diffraksjons- og derfor bølgeegenskaper oppdaget i atom- og molekylstråler. Ikke bare fotoner og elektroner, men også alle mikropartikler har partikkelbølgeegenskaper.

Oppdagelsen av bølgeegenskapene til mikropartikler viste at slike former for materie som felt (kontinuerlig) og materie (diskret), som fra klassisk fysikks synspunkt ble ansett som kvalitativt forskjellige, under visse forhold kan vise egenskaper som er iboende i begge former. Dette taler om enheten i disse formene for materie. Full beskrivelse deres egenskaper er bare mulig på grunnlag av motstridende, men komplementære ideer.

Hvis du trodde at vi hadde sunket inn i glemselen med våre oppsiktsvekkende emner, skynder vi oss å skuffe deg og gjøre deg glad: du tok feil! Faktisk har vi hele denne tiden prøvd å finne en akseptabel metode for å presentere sprø emner relatert til kvanteparadokser. Vi skrev flere utkast, men de ble alle kastet ut i kulden. For når det kommer til å forklare kvantevitser, blir vi selv forvirret og innrømmer at vi ikke forstår mye (og generelt sett er det få mennesker som forstår denne saken, inkludert verdens kule vitenskapsmenn). Akk, kvanteverdenen er så fremmed for det filisterske verdensbildet at det slett ikke er en skam å innrømme din misforståelse og prøve litt sammen for å forstå i det minste det grunnleggende.

Og selv om vi som vanlig vil prøve å snakke så tydelig som mulig med bilder fra Google, vil den uerfarne leseren trenge noen innledende forberedelser, så vi anbefaler at du ser gjennom våre tidligere emner, spesielt om kvanta og materie.
Spesielt for humanister og andre interesserte – kvanteparadokser. Del 1.

I dette emnet vil vi snakke om det vanligste mysteriet i kvanteverdenen - bølge-partikkeldualitet. Når vi sier «det mest vanlige», mener vi at fysikere har blitt så lei av det at det ikke engang virker som et mysterium. Men dette er alt fordi andre kvanteparadokser er enda vanskeligere for det gjennomsnittlige sinnet å akseptere.

Og det var slik. Til de gamle gode tider Et sted på midten av 1600-tallet var Newton og Huygens uenige om lysets eksistens: Newton erklærte skamløst at lys er en strøm av partikler, og gamle Huygens prøvde å bevise at lys er en bølge. Men Newton var mer autoritativ, så hans uttalelse om lysets natur ble akseptert som sann, og Huygens ble ledd av. Og i to hundre år ble lys betraktet som en strøm av noen ukjente partikler, hvis natur de håpet å oppdage en dag.

På begynnelsen av 1800-tallet drev en orientalist ved navn Thomas Young med optiske instrumenter- til slutt tok og gjennomførte han et eksperiment, som nå kalles Jungs eksperiment, og enhver fysiker anser denne opplevelsen som hellig.

Thomas Young rettet nettopp en stråle (av samme farge, slik at frekvensen var omtrent den samme) av lys gjennom to spalter i platen, og plasserte en annen skjermplate bak den. Og viste resultatet til sine kolleger. Hvis lys var en strøm av partikler, så ville vi sett bakgrunn to lyse striper.
Men dessverre vitenskapelige verden, en serie mørke og lyse striper. Et vanlig fenomen som kalles interferens er overlagring av to (eller flere bølger) oppå hverandre.

Forresten, det er takket være forstyrrelser at vi observerer regnbuefarger på en oljeflekk eller på en såpeboble.

Med andre ord, Thomas Young beviste eksperimentelt at lys er bølger. Vitenskapelig verden I lang tid ønsket han ikke å tro på Jung, og på et tidspunkt ble han så kritisert at han til og med forlot ideene om bølgeteorien. Men tilliten til deres rettferdighet vant fortsatt, og forskere begynte å betrakte lys som en bølge. Riktignok en bølge av hva - det var et mysterium.
Her, på bildet, er det gode gamle Jung-eksperimentet.

Det må sies at lysets bølgenatur ikke i stor grad påvirket klassisk fysikk. Forskere skrev om formlene og begynte å tro at snart ville hele verden falle for deres føtter under en enkelt universell formel for alt.
Men du har allerede gjettet at Einstein, som alltid, ødela alt. Problemet snek seg opp fra den andre siden - til å begynne med ble forskere forvirret når de beregnet energien til termiske bølger og oppdaget begrepet kvante (husk å lese om dette i vårt tilsvarende emne ""). Og så, ved hjelp av de samme kvantene, slo Einstein et slag mot fysikken, og forklarte fenomenet med den fotoelektriske effekten.

Kort sagt: den fotoelektriske effekten (en av konsekvensene av dette er filmeksponering) er at elektroner slås ut fra overflaten til visse materialer av lys. Teknisk sett skjer denne knock-out som om lys var en partikkel. Einstein kalte en lyspartikkel et lyskvantum, og senere ble den gitt et navn - foton.

I 1920 ble den fantastiske Compton-effekten lagt til anti-bølgeteorien om lys: når et elektron bombarderes med fotoner, spretter fotonet av elektronet med tap av energi (vi "skyter" i blått, men det røde flyr av), som en biljardball fra en annen. Compton vant Nobelprisen for dette.

Denne gangen var fysikere forsiktige med å bare forlate lysets bølgenatur, men tenkte i stedet hardt. Vitenskapen står overfor et skremmende mysterium: er lys en bølge eller en partikkel?

Lys, som enhver bølge, har en frekvens – og denne er lett å sjekke. Vi ser forskjellige farger, fordi hver farge ganske enkelt er en annen frekvens av en elektromagnetisk (lys) bølge: rød er en lav frekvens, lilla er en høy frekvens.
Men det er utrolig: bølgelengden til synlig lys er fem tusen ganger størrelsen på et atom - hvordan passer en slik "ting" inn i et atom når atomet absorberer denne bølgen? Hvis bare fotonet er en partikkel som i størrelse kan sammenlignes med et atom. Er et foton både stort og lite på samme tid?

I tillegg beviser den fotoelektriske effekten og Compton-effekten tydelig at lys fortsatt er en strøm av partikler: det kan ikke forklares hvordan en bølge overfører energi til elektroner lokalisert i rommet - hvis lys var en bølge, ville noen elektroner blitt slått ut senere enn andre, og fenomenet Vi ville ikke observere den fotoelektriske effekten. Men i tilfelle av en strømning, kolliderer et enkelt foton med et enkelt elektron og slår det under visse forhold ut av atomet.

Som et resultat ble det bestemt: lys er både en bølge og en partikkel. Eller rettere sagt, verken det ene eller det andre, men en ny tidligere ukjent form for eksistens av materie: fenomenene vi observerer er bare projeksjoner eller skygger av tingenes virkelige tilstand, avhengig av hvordan du ser på det som skjer. Når vi ser på skyggen av en sylinder belyst fra den ene siden, ser vi en sirkel, og når vi belyses fra den andre siden, ser vi en rektangulær skygge. Slik er det med partikkelbølgerepresentasjonen av lys.

Men selv her er ikke alt lett. Vi kan ikke si at vi anser lys som enten en bølge eller en strøm av partikler. Se ut av vinduet. Plutselig, selv i rent vasket glass, ser vi vår egen refleksjon, om enn uskarp. Hva er fangsten? Hvis lys er en bølge, så er det lett å forklare refleksjon i et vindu - vi ser lignende effekter på vann når en bølge reflekteres fra en hindring. Men hvis lys er en strøm av partikler, kan ikke refleksjon forklares så lett. Tross alt er alle fotoner like. Men hvis de alle er like, så er hindringen i formen vindusglass bør ha samme effekt på dem. Enten passerer de alle gjennom glasset, eller så reflekteres de alle sammen. Men i den harde virkeligheten flyr noen av fotonene gjennom glasset, og vi ser nabohuset og ser umiddelbart vårt speilbilde.

Og den eneste forklaringen som dukker opp: fotoner er alene. Det er umulig å forutsi med hundre prosent sannsynlighet hvordan et bestemt foton vil oppføre seg – om det vil kollidere med glass som en partikkel eller som en bølge. Dette er grunnlaget for kvantefysikk - fullstendig, absolutt tilfeldig oppførsel av materie på mikronivå uten noen grunn (og i vår verden av store mengder vet vi av erfaring at alt har en grunn). Dette ideell generator tilfeldige tall i motsetning til å kaste en mynt.

Den briljante Einstein, som oppdaget fotonet, var helt til slutten av livet overbevist om at kvantefysikk var feil, og forsikret alle om at «Gud spiller ikke terninger». Men moderne vitenskap flere og flere bekrefter: han spiller fortsatt.

På en eller annen måte bestemte forskere seg en dag for å sette en stopper for debatten om "bølge eller partikkel" og reprodusere Jungs erfaring under hensyntagen til teknologiene fra det 20. århundre. På dette tidspunktet hadde de lært å skyte fotoner én om gangen (kvantegeneratorer, kjent blant befolkningen som "lasere"), og derfor ble det besluttet å sjekke hva som ville skje på skjermen hvis man skjøt én partikkel ved to spalter: det vil endelig bli klart hva som er materie under kontrollerte eksperimentelle forhold.

Og plutselig - et enkelt kvantum av lys (foton) viste et interferensmønster, det vil si at partikkelen fløy gjennom begge spaltene samtidig, fotonet forstyrret seg selv (i vitenskapelige termer). La oss avklare det tekniske poenget - faktisk ble interferensbildet ikke vist av ett foton, men av en serie skudd på en partikkel med intervaller på 10 sekunder - over tid dukket Youngs frynser, kjent for enhver C-student siden 1801, på skjermen.

Fra bølgens synspunkt er dette logisk - bølgen passerer gjennom sprekkene, og nå divergerer to nye bølger i konsentriske sirkler og overlapper hverandre.
Men fra et korpuskulært synspunkt viser det seg at fotonet er på to steder samtidig når det passerer gjennom spaltene, og etter å ha passert gjennom det blander det seg selv. Dette er generelt normalt, ikke sant?
Det viste seg at det var normalt. Dessuten, siden fotonet er i to spalter samtidig, betyr det at det er samtidig overalt både før spaltene og etter å ha flydd gjennom dem. Og generelt sett, fra kvantefysikkens synspunkt, er det frigjorte fotonet mellom start og mål samtidig "overalt og på en gang." Fysikere kaller et slikt funn av en partikkel "overalt på en gang" superposisjon - et forferdelig ord, som pleide å være en matematisk velvære, har nå blitt en fysisk realitet.

En viss E. Schrödinger, en kjent motstander av kvantefysikk, hadde på dette tidspunktet gravd opp et sted en formel som beskrev bølgeegenskapene til materie, for eksempel vann. Og etter å ha puslet litt med det, til min skrekk, utledet jeg den såkalte bølgefunksjonen. Denne funksjonen viste sannsynligheten for å finne et foton på et bestemt sted. Merk at det er sannsynlighet, ikke nøyaktig plassering. Og denne sannsynligheten var avhengig av kvadratet på høyden til kvantebølgetoppen på et gitt sted (hvis noen er interessert i detaljene).

Vi vil vie et eget kapittel til spørsmålene om å måle plasseringen av partikler.

Ytterligere oppdagelser viste at ting med dualisme er enda verre og mer mystisk.
I 1924 sa en viss Louis de Broglie at lysets bølgekorpuskulære egenskaper er toppen av isfjellet. Og alle elementærpartikler har denne uforståelige egenskapen.
Det vil si at en partikkel og en bølge samtidig er ikke bare partikler av det elektromagnetiske feltet (fotoner), men også reelle partikler som elektroner, protoner osv. All materie rundt oss på mikroskopisk nivå er bølger(og partikler samtidig).

Og et par år senere ble dette til og med bekreftet eksperimentelt - amerikanerne drev elektroner inn katodestrålerør(som er kjent for dagens gamle fiser under navnet "kinescope") - så observasjoner knyttet til refleksjon av elektroner bekreftet at et elektron også er en bølge (for å lette forståelsen kan vi si at en plate med to spalter ble plassert i banen til elektronet og så interferensen til elektronet slik det er).

Til dags dato har eksperimenter oppdaget at atomer også har bølgeegenskaper og til og med noen spesielle typer molekyler (de såkalte "fullerenene") manifesterer seg som en bølge.

Det nysgjerrige sinnet til leseren, som ennå ikke har blitt lamslått av historien vår, vil spørre: hvis materie er en bølge, hvorfor er for eksempel ikke en flygende ball smurt ut i rommet i form av en bølge? Hvorfor ligner ikke et jetfly en bølge i det hele tatt, men er veldig likt et jetfly?

De Broglie, djevelen, forklarte alt her: ja, en flygende ball eller en Boeing er også en bølge, men lengden på denne bølgen er kortere, jo større impulsen er. Momentum er masse ganger hastighet. Det vil si enn mer masse materie, jo kortere er bølgelengden. Bølgelengden til en ball som flyr med en hastighet på 150 km/t vil være omtrent 0,00 meter. Derfor er vi ikke i stand til å legge merke til hvordan ballen er spredt over verdensrommet som en bølge. For oss er det solid materie.
Et elektron er en veldig lett partikkel, og når den flyr med en hastighet på 6000 km/sek, vil den ha en merkbar bølgelengde på 0,0000000001 meter.

Forresten, la oss umiddelbart svare på spørsmålet hvorfor atomkjernen ikke er så "bølgelignende". Selv om det befinner seg i sentrum av atomet, som elektronet flyr vanvittig rundt og samtidig smøres ut, har det et anstendig momentum knyttet til massen av protoner og nøytroner, samt høyfrekvent oscillasjon (hastighet) pga. til eksistensen av en konstant utveksling av partikler inne i kjernen sterk interaksjon (les emnet). Derfor er kjernen mer som det faste stoffet vi er kjent med. Elektronet er tilsynelatende den eneste partikkelen med masse som tydelig har uttrykt bølgeegenskaper, så alle studerer den med glede.

La oss gå tilbake til partiklene våre. Så det viser seg: et elektron som roterer rundt et atom er både en partikkel og en bølge. Det vil si at partikkelen roterer, og samtidig representerer elektronet, som en bølge, et skall en viss form rundt kjernen - hvordan kan dette i det hele tatt forstås av menneskehjernen?

Vi har allerede beregnet ovenfor at et flygende elektron har en ganske stor (for et mikrokosmos) bølgelengde, og for å passe rundt kjernen til et atom trenger en slik bølge uanstendig mye plass. Det er nettopp dette som forklarer slike store størrelser atomer sammenlignet med kjernen. Bølgelengdene til elektronet bestemmer størrelsen på atomet. Det tomme rommet mellom kjernen og overflaten av atomet er fylt av "innkvartering" av bølgelengden (og samtidig partikkelen) til elektronet. Dette er en veldig grov og feil forklaring - vennligst tilgi oss - i virkeligheten er alt mye mer komplisert, men målet vårt er i det minste å la folk som er interessert i alt dette gnage av en bit av vitenskapens granitt.

La oss være klare igjen! Etter noen kommentarer til artikkelen [i YP], innså vi hvilket viktig poeng denne artikkelen manglet. Oppmerksomhet! Materieformen vi beskriver er verken en bølge eller en partikkel. Den har bare (samtidig) egenskapene til en bølge og egenskapene til partikler. Det kan ikke sies at en elektromagnetisk bølge eller en elektronbølge er som sjøbølger eller lydbølger. Bølgene vi er kjent med representerer forplantningen av forstyrrelser i rom fylt med noe stoff.
Fotoner, elektroner og andre forekomster av mikrokosmos, når de beveger seg i rommet, kan beskrives ved bølgeligninger deres oppførsel ligner bare en bølge, men de er ikke i noe tilfelle en bølge. Det er likt med den korpuskulære strukturen til materie: oppførselen til en partikkel er lik flyten til små spisskuler, men disse er aldri baller.
Dette må forstås og aksepteres, ellers vil alle våre tanker til slutt føre til et søk etter analoger i makrokosmos, og dermed vil forståelsen av kvantefysikk ta slutt, og friarisme eller sjarlatanfilosofi vil begynne, som kvantemagi og tankenes materialitet.

Vi vil vurdere de gjenværende skremmende konklusjonene og konsekvensene av Jungs moderniserte eksperiment senere i neste del – Heisenbergs usikkerhet, Schrödingers katt, Pauli eksklusjonsprinsippet og kvanteforviklinger venter på den tålmodige og tankefulle leseren som vil lese artiklene våre på nytt mer enn én gang og rote igjennom. via Internett på jakt etter tilleggsinformasjon.

Takk alle sammen for oppmerksomheten. Glad søvnløshet eller kognitive mareritt til alle!

NB: Vi minner flittig om at alle bilder er hentet fra Google (bildesøk) - der bestemmes forfatterskapet.
Ulovlig kopiering av tekst blir tiltalt, undertrykt, vel, du vet...

39. Bølge-partikkel-dualitet av materiens egenskaper.

Partikkelbølgedualisme av egenskapene til EM-stråling. Dette betyr at lysets natur kan betraktes fra to sider: på den ene siden er det en bølge, hvis egenskaper er manifestert i lovene om lysutbredelse, interferens, diffraksjon, polarisering. På den annen side er lys en strøm av partikler som har energi og fart. De korpuskulære egenskapene til lys manifesterer seg i prosessene for interaksjon av lys med materie (fotoelektrisk effekt, Compton-effekt).

Ved å analysere kan man forstå at jo lengre bølgelengden l er, jo lavere energi (fra E = hс/l), jo mindre momentum, desto vanskeligere er det å oppdage lysets kvanteegenskaper.

Jo mindre l => større energi E til fotonet, desto vanskeligere er det å oppdage lysets bølgeegenskaper.

Forholdet mellom de doble partikkelbølgeegenskapene til lys kan forklares hvis en statistisk tilnærming brukes til å vurdere lysfordelingsmønstrene.

For eksempel diffraksjon av lys ved en spalte: når lys passerer gjennom en spalte, blir fotoner omfordelt i rommet. Siden sannsynligheten for at et foton treffer forskjellige punkter på skjermen ikke er den samme, vises et diffraksjonsmønster. Belysningen av skjermen (antall fotoner som faller inn på den) er proporsjonal med sannsynligheten for at et foton treffer dette punktet. På den annen side er skjermbelysningen proporsjonal med kvadratet av bølgeamplituden I~E 2 . Derfor er kvadratet av amplituden til en lysbølge ved et gitt punkt i rommet et mål på sannsynligheten for at et foton treffer det punktet i rommet.

44. Schrödinger-ligning for stasjonære tilstander.

Ligning (217,5) kalt Schrödinger-ligningen for stasjonære tilstander. Denne ligningen inkluderer den totale energien som en parameter E partikler. I teorien om differensialligninger er det bevist at slike ligninger har et uendelig antall løsninger, hvorfra man ved å pålegge grensebetingelser velges løsninger som har fysisk mening. For Schrödinger-ligningen er slike forhold betingelsene for regulariteten til bølgefunksjoner: bølgefunksjoner må være endelige, enkeltverdier og kontinuerlige sammen med deres førstederiverte. Dermed er det bare de løsningene som uttrykkes av regulære funksjoner som har en reell fysisk betydning  Men vanlige løsninger finner ikke sted for noen verdier av parameteren E, a bare for et visst sett av dem, karakteristisk for en gitt oppgave. Disse energiverdiene kalles egen. Løsninger som samsvarer egen energiverdier kalles egne funksjoner. Egenverdier E kan danne enten en kontinuerlig eller diskret serie. I det første tilfellet snakker vi om kontinuerlig, eller kontinuerlig spektrum i den andre - om diskret spektrum.

40. De Broglie-bølger og deres egenskaper.

De Broglie hevdet at ikke bare fotoner, men også elektroner og andre partikler av materie, sammen med korpuskulære, også har bølgeegenskaper. Så, ifølge de Broglie, med hvert mikroobjekt er koblet på den ene siden, korpuskulær egenskaper - energi E og momentum p, og på den andre - bølgeegenskaper- frekvens v og bølgelengde TIL. De kvantitative forholdene som forbinder de korpuskulære og bølgeegenskapene til partikler er de samme som for fotoner: E= hv, s= h/  . (213.1) Dristigheten i de Broglies hypotese lå nettopp i det faktum at relasjon (213.1) ble postulert ikke bare for fotoner, men også for andre mikropartikler, spesielt for de som har en hvilemasse. Dermed er enhver partikkel med momentum assosiert med en bølgeprosess med en bestemt bølgelengde i henhold til de Broglies formel:  = h/ s. (213.2) Denne relasjonen er gyldig for enhver partikkel med momentum r. Snart ble de Broglies hypotese bekreftet eksperimentelt. (K. Davisson, L. Germer) oppdaget at en elektronstråle spredt fra et naturlig diffraksjonsgitter - en nikkelkrystall - gir et distinkt diffraksjonsmønster. Diffraksjonsmaksima tilsvarte Wulff-Bragg-formelen (182.1), og Bragg-bølgelengden viste seg å være nøyaktig lik bølgelengden beregnet ved bruk av formel (213.2). Deretter ble de Broglies formel bekreftet av eksperimentene til P. S. Tartakovsky og G. Thomson, som observerte diffraksjonsmønsteret når en stråle av raske elektroner (energi 50 keV) passerte gjennom metallfolie (tykkelse 1 μm). Siden diffraksjonsmønsteret ble studert for en strøm av elektroner, var det nødvendig å bevise at bølgeegenskaper er iboende ikke bare i strømmen av en stor samling av elektroner, men også i hvert elektron individuelt. Dette ble eksperimentelt bekreftet i 1948 av den sovjetiske fysikeren V. A. Fabrikant (f. 1907). Han viste at selv i tilfelle av en så svak elektronstråle, når hvert elektron passerer gjennom enheten uavhengig av de andre (tidsintervallet mellom to elektroner er 10 4 ganger lengre enn tiden det tar et elektron å passere gjennom enheten) , diffraksjonsmønsteret som oppstår under en lang eksponering skiller seg ikke fra diffraksjonsmønstrene som oppnås med en kort eksponering for elektronstrømmer titalls millioner ganger mer intense. Følgelig er ikke bølgeegenskapene til partikler en egenskap til deres kollektive, men er iboende i hver partikkel individuelt. Deretter ble diffraksjonsfenomener også oppdaget for nøytroner, protoner, atom- og molekylstråler. Eksperimentelt bevis på tilstedeværelsen av bølgeegenskaper til mikropartikler førte til konklusjonen at vi har foran oss et universelt fenomen, en generell egenskap ved materie. Men da må bølgeegenskaper også være iboende i makroskopiske legemer. Hvorfor har de ikke blitt oppdaget eksperimentelt? For eksempel tilsvarer en partikkel med en masse på 1 g som beveger seg med en hastighet på 1 m/s en de Broglie-bølge med =6,62 10 -31 m. Denne bølgelengden ligger utenfor området som er tilgjengelig for observasjon (periodiske strukturer med en periode d10 -31 m eksisterer ikke). Derfor antas det at makroskopiske legemer viser bare én side av egenskapene sine - den korpuskulære - og ikke viser den bølgende. Ideen om den doble partikkelbølgenaturen til materiepartikler blir ytterligere utdypet av det faktum at forbindelsen mellom den totale energien til partikkelen overføres til materiepartikler G og frekvens v av de Broglie-bølger: e=hv. (213.3) Dette indikerer at forholdet mellom energi og frekvens i formel (213.3) har karakteren universelt forhold, gyldig både for fotoner og for andre mikropartikler. Gyldigheten av relasjonen (213.3) følger av overensstemmelsen med erfaringen om de teoretiske resultatene som ble oppnådd ved hjelp av den innen kvantemekanikk, atom- og kjernefysikk. De Broglies eksperimentelt bekreftede hypotese om bølge-partikkel-dualiteten til egenskapene til materie endret radikalt ideen om egenskapene til mikroobjekter. Alle mikroobjekter har både korpuskulære og bølgeegenskaper; samtidig kan ingen av mikropartiklene betraktes verken som en partikkel eller en bølge i klassisk forstand. Den moderne tolkningen av bølge-partikkel-dualitet kan uttrykkes i ordene til den sovjetiske teoretiske fysikeren V. A. Fok (1898-1974): "Vi kan si at for et atomobjekt er det en potensiell mulighet til å manifestere seg, avhengig av ytre forhold, enten som en bølge eller som en partikkel, eller på en mellomliggende måte. Det ligger i dette potensiell mulighet ulike manifestasjoner av egenskaper iboende i et mikroobjekt utgjør bølge-partikkel-dualiteten. Enhver annen, mer bokstavelig forståelse av denne dualismen i form av en slags modell er feil.»