การตีความความเป็นคู่ของ corpuscular-wave ของคุณสมบัติของแสง ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น

คำว่า "dualism" ในทางฟิสิกส์ในความหมายกว้างๆ หมายถึง:

1) การมีอยู่ของคุณสมบัติตรงกันข้ามของวัตถุทางกายภาพ

2) การใช้แนวคิดที่ตรงกันข้ามในการอธิบายและอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพ

3) การปรากฏตัวของข้อความตรงกันข้าม (ไม่เกิดร่วมกัน) ในการกำหนดกฎหมายที่ควบคุมปรากฏการณ์ทางกายภาพ

อาการพื้นฐานที่สุดของการเป็นคู่คือ:

1) dualism ของ corpuscular-wave ในคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐาน

2) การมีอยู่ตามธรรมชาติของอนุภาคและปฏิปักษ์ ประจุไฟฟ้าตรงข้าม สัญญาณต่าง ๆ ของตัวเลขเลปตันและแบริออน (ดูส่วนที่ IV, § 23) เป็นต้น

3) คุณสมบัติตรงข้ามของอนุภาคของสสารและสนามแรง เช่น สสาร "corpuscular" และ "field"

4) การใช้แนวคิดของ "พลังงาน" และ "งาน";

5) การมีอยู่ของพลังที่น่ารังเกียจและน่าดึงดูดในระบบทางกายภาพการกระทำพร้อมกันซึ่งกำหนดคุณสมบัติของระบบทางกายภาพ

6) ความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพในคุณสมบัติของระบบทางกายภาพ

7) เอกลักษณ์และความน่าจะเป็นในกฎฟิสิกส์

8) ความไม่ต่อเนื่องและความต่อเนื่องในธรรมชาติ ความเชื่อมโยงระหว่างกัน เป็นต้น

สาระสำคัญของความเป็นคู่ (กล่าวคือ เนื้อหาของคำว่า "คุณสมบัติตรงกันข้าม", "แนวคิด", "คำสั่ง") สามารถแสดงได้โดยตัวอย่างของการรวมกันของคุณสมบัติทางร่างกายและคลื่นของอนุภาคมูลฐาน (โฟตอน อิเล็กตรอน ฯลฯ) . ในข้อความ (ดูส่วนที่ IV, § 10-12) แสดงให้เห็นว่า:

1) คุณสมบัติของเม็ดเลือดและคลื่นของอนุภาคแยกจากกันไม่ได้ แต่ละอนุภาคมีคุณสมบัติทั้งสองนี้ในความสามัคคีและ

เงื่อนไขร่วมกันและไม่มีทางที่จะกีดกันอนุภาคของคุณสมบัติเหล่านี้อย่างใดอย่างหนึ่ง เห็นได้ชัดว่าไม่มีอนุภาคใดที่มีคุณสมบัติเฉพาะของรูปร่างหรือคลื่นเท่านั้น

2) คุณสมบัติของเม็ดเลือดและคลื่นไม่สามารถลดทอนกันได้ ซึ่งหมายความว่าคุณสมบัติคลื่นของอนุภาคไม่สามารถอธิบายได้ในแง่ของลักษณะรูปร่างและในทางกลับกัน

3) คุณสมบัติของเม็ดเลือดและคลื่นเชื่อมโยงกันอย่างแยกไม่ออก

ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นรองรับฟิสิกส์ควอนตัมซึ่งอธิบายระบบและกระบวนการทางจุลภาค ดังนั้น หนึ่งในส่วนที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่คือความเป็นคู่ในธรรมชาติและเนื้อหา ในทางกลับกัน ฟังก์ชันคลื่นต่อเนื่องของอนุภาคและระบบทางกายภาพ ในทางกลับกัน คุณสมบัติทางร่างกายของอนุภาคและระบบเดียวกัน มีอยู่ในฟิสิกส์ควอนตัมในความเป็นเอกภาพและการเชื่อมต่อซึ่งกันและกัน ความพยายามทั้งหมดที่จะขจัดความเป็นคู่นี้ไม่ประสบความสำเร็จ ดังนั้นจึงสามารถโต้แย้งได้ว่าความเป็นคู่ในทฤษฎีควอนตัมไม่ใช่ผลข้างเคียงที่เกิดขึ้นชั่วคราวโดยสุ่ม ตัวอย่างเช่น โดยความยากลำบากในการอธิบายระบบจุลฟิสิกส์ แต่เป็นภาพสะท้อนของความเป็นคู่เชิงวัตถุนิยมซึ่งมีอยู่เหนือธรรมชาติ

พิจารณาการปรากฏตัวของความเป็นคู่ในธรรมชาติ - การปรากฏตัวของอนุภาคและปฏิปักษ์ ให้เราทราบก่อนว่าคุณสมบัติทางกายภาพของอนุภาคสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มตามเงื่อนไข:

1) คุณสมบัติที่อนุภาคต่าง ๆ แตกต่างกันในขนาดเท่านั้น ที่สำคัญที่สุดคือมวลเฉื่อย โปรดทราบว่ามวลไม่ใช่คุณสมบัติเสริม (มวลของระบบทางกายภาพมีค่าน้อยกว่าผลรวมของมวลของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบที่วัดในสถานะอิสระ) ขึ้นอยู่กับสถานะของอนุภาค (ความเร็วของการเคลื่อนที่) และ เงื่อนไขที่อนุภาคตั้งอยู่ (มวลของนิวเคลียสในสนามแรงนิวเคลียร์แตกต่างจากมวลนอกนิวเคลียส);

2) คุณสมบัติที่แตกต่างกันในเชิงคุณภาพ เช่น ตรงข้ามกับค่าไฟฟ้า โปรดทราบว่าประจุมีการเติมไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่และสภาพของอนุภาคที่มีประจุ ซึ่งหมายความว่าประจุ (เช่นเดียวกับเลขเลปตันและแบริออน) เป็นคุณสมบัติพื้นฐานของอนุภาคมากกว่ามวลเฉื่อย

อนุภาคมูลฐานสามารถจัดเรียงตามชุดคุณสมบัติพื้นฐานที่มีอยู่ในตัว เนื้อหาของแนวคิดเช่นอนุภาค "เหมือนกัน" หรือ "แตกต่าง" ขึ้นอยู่กับลักษณะและจำนวนของคุณสมบัติเหล่านี้ เห็นได้ชัดว่าเอกลักษณ์ของอนุภาค (หรือวัตถุทางกายภาพโดยทั่วไป) เป็นกรณีจำกัดของความเหมือนกัน เมื่อไม่มีความแตกต่างระหว่างวัตถุ: ทั้งในชุดของคุณสมบัติโดยธรรมชาติ หรือในโครงสร้าง สถานะ และพฤติกรรมภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน (เช่น วัตถุที่เหมือนกันเป็นอนุภาคมูลฐานของบางชนิดภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน) สิ่งที่ตรงกันข้ามกับวัตถุทางกายภาพควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นกรณีที่มีความแตกต่างอย่างมาก เมื่อความแตกต่างนี้สมบูรณ์ กล่าวคือ วัตถุไม่มีคุณสมบัติเหมือนกัน

โปรดทราบว่าอนุภาคและปฏิปักษ์ในแง่นี้ไม่ใช่สิ่งที่ตรงกันข้าม เนื่องจากนอกจากจะต่างกันแล้ว พวกมันยังมีคุณสมบัติเหมือนกัน (เช่น อิเล็กตรอนและโพซิตรอนมีประจุต่างกัน แต่มีสปินและมวลพักเท่ากัน) ดังนั้นอนุภาคและปฏิปักษ์จึงมีขั้ว แต่ไม่ใช่วัตถุที่อยู่ตรงข้ามกัน

ในการเชื่อมต่อกับข้างต้น คำถามต่อไปนี้เกิดขึ้น:

1) มี "วัตถุตรงข้าม" ในธรรมชาติหรือไม่

2) ปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันเป็นไปได้หรือไม่ คุณลักษณะของการโต้ตอบนี้และความสำคัญในธรรมชาติคืออะไร

3) ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุที่เหมือนกัน ขั้ว และสิ่งที่ตรงกันข้ามแตกต่างกันอย่างไร

การอภิปรายคำถามเหล่านี้มีนัยสำคัญทางอุดมการณ์อย่างยิ่ง ผลในเชิงบวกของการสนทนานี้จะชี้แจงความเข้าใจของเราว่าธรรมชาติรอบตัวเราทำงานอย่างไร การอภิปรายดังกล่าวควรดำเนินการบนพื้นฐานของระบบปรัชญาบางอย่างและจะส่งผลต่อสาขาฟิสิกส์ทุกสาขา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สามารถสันนิษฐานได้ว่า "สาร" และ "ช่อง" เป็นวัตถุที่ตรงกันข้ามในธรรมชาติ โดย "สาร" เรามักจะหมายถึงอนุภาคและระบบพื้นฐานที่ประกอบด้วยพวกมัน: นิวเคลียสของอะตอม อะตอม โมเลกุล ฯลฯ; “สนาม” หมายถึงสนามแรงต่างๆ: ความโน้มถ่วง, แม่เหล็กไฟฟ้า, นิวเคลียร์ ฯลฯ มีสองแนวคิดเกี่ยวกับสนาม ในหนึ่งในนั้น สันนิษฐานว่าทุ่งนาอย่างต่อเนื่องเติมช่องว่างรอบ ๆ อนุภาคของสสารและโดย "วิธีพิเศษ" ที่เกี่ยวข้องกับพวกมัน กำหนดธรรมชาติและความเข้มข้นของปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกเขา ในอีกมุมมองหนึ่ง สันนิษฐานว่าแต่ละสนามประกอบด้วย "อนุภาคสนามพิเศษ" ที่ถูกปล่อยออกมาและดูดซับโดยอนุภาคของสสาร และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิดแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน ตัวอย่างเช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าถือว่าประกอบด้วยโฟตอน ("ก๊าซโฟตอน"); หากจำนวนต่อหน่วยปริมาตรมีขนาดใหญ่มากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะทำงานเป็นสื่อต่อเนื่อง หากจำนวนนี้มีขนาดเล็กและมีการศึกษากระบวนการที่เกี่ยวข้องกับโฟตอนแต่ละตัว แนวคิดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในฐานะสื่อต่อเนื่องจะสูญเสียความหมายไป

ที่นี่ต้องเน้นว่าแนวคิดปัจจุบันเกี่ยวกับเรื่องและสาขาไม่ควรถือเป็นที่สิ้นสุด การพัฒนาของฟิสิกส์เชิงทดลองและทฤษฎีสามารถนำไปสู่การปรับแต่งไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงในความคิดของเราเกี่ยวกับธรรมชาติและสาระสำคัญของปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในนั้น เป็นไปได้ว่าในอนาคตโลกทัศน์เชิงสงฆ์จะมีชัย ตามลักษณะที่ประกอบด้วย: 1) อนุภาคของสสารเพียงอย่างเดียว และสนามเป็นเพียงวิธีหนึ่งในการอธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกเขา 2) จากเขตข้อมูลต่าง ๆ เท่านั้นและอนุภาคของสสารก็เป็นเพียง "จุดเอกพจน์" เท่านั้น อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ว่าข้อมูลการทดลองที่ทราบทั้งหมดจะได้รับการอธิบายอย่างน่าพอใจบนพื้นฐานของโลกทัศน์แบบสองมิติ ซึ่งสสารและเขตข้อมูลถือว่าเป็นวัตถุที่ตรงกันข้าม ลดจำนวนลงและไม่สามารถแยกออกจากกันได้ ปฏิสัมพันธ์ที่แยกออกไม่ได้ซึ่งเป็นพื้นฐาน ของปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทั้งหมดที่เราสังเกต

ความเป็นคู่ยังพบในการดำรงอยู่พร้อม ๆ กันของคำอธิบายที่น่าจะเป็นและชัดเจนของปรากฏการณ์ทางกายภาพ คำอธิบายแบบคลาสสิกและกำหนดอย่างเข้มงวดไม่สามารถแยกออกจากฟิสิกส์ได้ จำเป็นต้องอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เป็นไปได้มากที่สุด ในอีกทางหนึ่ง มีความกระจัดกระจายอยู่เสมอในสถานะของวัตถุที่กำลังศึกษาอยู่ (และปริมาณทางกายภาพที่อธิบายสถานะเหล่านี้) และความกระจัดกระจายนี้มีลักษณะน่าจะเป็น ในปัจจุบัน การคงอยู่ตามวัตถุประสงค์ของกระบวนการความน่าจะเป็นในธรรมชาติได้รับการพิจารณาว่าสามารถพิสูจน์ได้ในเชิงทฤษฎีและเชิงทดลอง ในฟิสิกส์ควอนตัม (ดูตอนที่ IV, § 10, 11) เอกลักษณ์ในพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานและไมโครซิสเต็มส์มักถูกปฏิเสธ นี่ไม่ได้หมายความถึงการปฏิเสธความเป็นเอกลักษณ์ (การกำหนด) ในธรรมชาติอย่างสมบูรณ์ แต่เป็นการจำกัดขอบเขตเท่านั้น ความไม่ชัดเจนและความน่าจะเป็นเป็นแนวคิดแบบทวิภาคี พวกเขาแยกออกไม่ได้ (การแพร่กระจายความน่าจะเป็นมีอยู่รอบค่าที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดซึ่งรวมอยู่ในกฎที่ชัดเจน) ลดไม่ได้ (เป็นไปไม่ได้ที่จะ จำกัด ตัวเราให้อธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพเพียงวิธีเดียวเท่านั้น) และการเชื่อมต่อซึ่งกันและกันสามารถเห็นได้ในเกือบทุกสาขา ของฟิสิกส์

ความเป็นคู่ของอนุภาคมูลฐานมีความสำคัญในการก่อตัวของคุณสมบัติของระบบทางกายภาพที่เกิดขึ้นจากอนุภาคเหล่านี้ เมื่อพิจารณาถึงระบบจุลฟิสิกส์ที่รู้จัก จะเห็นได้ว่าท้ายที่สุดแล้วพวกมันก่อตัวขึ้นจากอนุภาคต่างๆ อนุภาคที่เหมือนกันจะไม่ทำปฏิกิริยาหรือผลักกัน และไม่ก่อให้เกิดระบบทางกายภาพที่มีคุณสมบัติใหม่เชิงคุณภาพ ตัวอย่างเช่น โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนแยกจากกันไม่ได้สร้างระบบทางกายภาพ แต่เมื่อรวมเข้าด้วยกันจะเกิดนิวเคลียสและอะตอมของสารต่างๆ เป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าในการรวมของอนุภาคมูลฐานที่เหมือนกัน การเติมคุณสมบัติของพวกมันอย่างง่าย (สารเติมแต่ง) จะเกิดขึ้นเสมอ เฉพาะในระหว่างการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่มีคุณสมบัติตรงกันข้ามเท่านั้นการสังเคราะห์คุณสมบัติเหล่านี้ (เชิงคุณภาพ) พิเศษเกิดขึ้นเนื่องจากระบบทางกายภาพได้รับคุณสมบัติใหม่ ดังนั้นจึงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าการปรากฏตัวของคุณสมบัติใหม่เชิงคุณภาพเป็นไปได้เฉพาะในการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานแล้ว

ความเป็นคู่ตามวัตถุประสงค์ของธรรมชาติยังสะท้อนให้เห็นในแนวคิดทางกายภาพที่สำคัญที่สุดอีกด้วย ตัวอย่างทั่วไปคือแนวคิดเรื่องความไม่ต่อเนื่องและความต่อเนื่อง พวกเขาลดน้อยลงซึ่งกันและกัน มิฉะนั้น อาจจำกัดการใช้แนวคิดเหล่านี้เพียงแนวคิดเดียว ในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์ เป็นที่ทราบกันว่าความพยายามในการแยกความไม่ต่อเนื่องหรือความต่อเนื่องออกจากคำอธิบายของปรากฏการณ์ แต่ก็ไม่ประสบความสำเร็จ พวกมันแยกออกจากกันไม่ได้และมีความสัมพันธ์กันอย่างแยกไม่ออกในปรากฏการณ์ทางกายภาพทั้งหมด เนื่องจากอนุภาคและทุ่งนาจำเป็นต้องมีส่วนร่วมในพวกมัน โดยแนะนำองค์ประกอบของความไม่ต่อเนื่องและความต่อเนื่องกับคุณสมบัติพื้นฐานของพวกมัน

โดยสรุป เราสังเกตว่าฟิสิกส์เองในฐานะที่เป็นวิทยาศาสตร์พัฒนาบนพื้นฐานของปฏิสัมพันธ์ของสองส่วนที่ตรงกันข้าม - ทางทฤษฎีและการทดลองซึ่งแยกออกไม่ได้และเชื่อมโยงถึงกัน ลดน้อยลงซึ่งกันและกันและมีปฏิสัมพันธ์ กำหนดทิศทางและหลักสูตรของการพัฒนาทางกายภาพ วิทยาศาสตร์

แสงเป็นหนึ่งในวัตถุหลักของการศึกษามานานแล้ว นักวิทยาศาสตร์หลายคนพยายามที่จะรู้ธรรมชาติของมัน แต่ก็ยากที่จะทำเช่นนี้เนื่องจากมีโอกาสจำกัด ทฤษฎีแรกที่พยายามอธิบายธรรมชาติของแสงคือทฤษฎีคลื่น ถือว่าถูกต้องและเป็นความจริงมาเป็นเวลานาน และไม่มีข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการก่อตัวของความเป็นคู่ของคลื่น corpuscular ในเวลานั้น มีความเห็นในทางฟิสิกส์ว่าแสงโดยธรรมชาติของมันคือคลื่น และอะตอมและอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ มีเพียงคุณสมบัติทางร่างกายเท่านั้น

ทฤษฎีเริ่มล่มสลาย เนื่องจากไม่สามารถอธิบายรัทเทอร์ฟอร์ดจากการทดลองของเขาได้ เขาตั้งสมมติฐานว่านิวเคลียสของอะตอมอยู่ตรงกลาง มวลหลักกระจุกตัวอยู่ที่นั่น และอิเล็กตรอนกระจายไปทั่ว ปริมาณ เติมพื้นที่ได้อย่างอิสระ. แต่ทฤษฎีนี้ไม่ได้รับการยืนยันเพราะตามการคำนวณแล้ว ระบบดังกล่าวไม่สามารถมีเสถียรภาพได้

ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการก่อตัวของทฤษฎีใหม่

ต่อมามีการค้นพบปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกซึ่งเกินขอบเขตของฟิสิกส์คลาสสิกซึ่งครอบงำในเวลานั้น ต่อมาเป็นผลโฟโตอิเล็กทริกที่ช่วยในการสร้างความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นเพราะสิ่งนี้นำไปสู่ความจำเป็นในการสร้างคุณลักษณะที่อนุภาคได้รับคุณสมบัติที่จะเป็นไปไม่ได้หากพิจารณาในแง่ของหลักการของฟิสิกส์คลาสสิก ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นเป็นหนึ่งในทฤษฎีแรกที่ศึกษาในทฤษฎีใหม่

สาระสำคัญของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกคือสารธรรมดาปล่อยอิเล็กตรอนเร็วภายใต้อิทธิพลของการแผ่รังสีคลื่นสั้น ความแตกต่างหลักกับฟิสิกส์คลาสสิกคือความจริงที่ว่าพลังงานของอิเล็กตรอนเร็วที่ปล่อยออกมาไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของรังสี เฉพาะคุณสมบัติของสารเองและความถี่ของรังสีเท่านั้นที่มีความสำคัญ ในขณะนั้น ไม่สามารถอธิบายกลไกของการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนตามข้อมูลที่มีอยู่ได้

ทฤษฎีคลื่นดูเหมือนสอดคล้องกันและปฏิเสธไม่ได้ ตามที่กล่าวไว้ พลังงานรังสีถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอในคลื่นแสง เมื่อมันกระทบกับอิเล็กตรอน มันจะให้พลังงานในปริมาณหนึ่ง ตามลำดับ ตามทฤษฎีนี้ ยิ่งความเข้มสูงขึ้นเท่าใด พลังงานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง สิ่งต่าง ๆ เปลี่ยนไปบ้าง

การพัฒนาแนวคิดของลัทธิสองนิยม

Albert Einstein เริ่มแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับธรรมชาติของแสงที่ไม่ต่อเนื่อง ทฤษฎีสนามควอนตัมและแนวคิดของสนามควอนตัมก็เริ่มพัฒนาขึ้น ซึ่งช่วยให้เกิดความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น

สิ่งสำคัญที่สุดคือแสงสามารถได้รับผลกระทบ ดังนั้นจึงมีคุณสมบัติทางกายภาพของกระแสอนุภาค - โฟตอน แต่ในขณะเดียวกัน ในปรากฏการณ์เช่นการเลี้ยวเบน ก็ยังแสดงให้เห็นคุณสมบัติที่ชัดเจนของคลื่นด้วย มีการทดลองหลายครั้งเพื่อพิสูจน์ความเป็นคู่ของโครงสร้างของแสง มันอยู่บนพื้นฐานของพวกเขาที่การสร้างคลื่นคู่ของคลื่น corpuscular-wave นั่นคือ โฟตอนแสดงคุณสมบัติของร่างกาย แต่ในการทดลองหลายครั้ง โฟตอนมีคุณสมบัติที่ชัดเจนของคลื่น

ต้องเข้าใจว่าความคิดดังกล่าวในขณะนี้เป็นเพียงความสนใจทางประวัติศาสตร์เท่านั้น สมบัติของสสารแบบคลื่น corpuscular-wave ก่อตัวเป็นทฤษฎีในช่วงเวลาที่การศึกษาคุณสมบัติดังกล่าวเพิ่งเริ่มต้น ในเวลาเดียวกันก็มีการก่อตั้งสาขาใหม่ของฟิสิกส์ขึ้นจริง ทฤษฎีดังกล่าวเป็นความพยายามที่จะอธิบายปรากฏการณ์ใหม่ในภาษาฟิสิกส์คลาสสิก

ในความเป็นจริง จากมุมมองของฟิสิกส์ควอนตัม วัตถุดังกล่าวไม่ใช่อนุภาค อย่างน้อยก็ในความหมายคลาสสิก พวกเขาได้รับคุณสมบัติบางอย่างเมื่อเข้าหาเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีความเป็นคู่ยังคงใช้เพื่ออธิบายหลักการบางประการเกี่ยวกับธรรมชาติของแสง

ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น- คุณสมบัติของอนุภาคขนาดเล็กในการตรวจจับสัญญาณของอนุภาค (corpuscle) และคลื่น ความเป็นคู่ของคลื่น corpuscular แสดงออกอย่างชัดเจนที่สุดในอนุภาคมูลฐาน อิเล็กตรอน นิวตรอน โฟตอนภายใต้สภาวะบางอย่างจะมีพฤติกรรมเหมือนวัตถุ (อนุภาค) ที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นได้ดีในอวกาศ เคลื่อนที่ด้วยพลังงานและโมเมนต์บางอย่างตามวิถีแบบคลาสสิก และภายใต้สภาวะอื่นๆ พวกมันจะมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น ซึ่งแสดงออกในความสามารถในการรบกวนและการเลี้ยวเบนของพวกมัน . ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระเจิงบนอิเล็กตรอนอิสระจึงมีพฤติกรรมเหมือนกระแสของอนุภาคแต่ละตัว - โฟตอนซึ่งเป็นควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (เอฟเฟกต์คอมป์ตัน) และโมเมนตัมของโฟตอนถูกกำหนดโดยสูตร p \u003d h / λ โดยที่ λ คือความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และ h คือค่าคงที่ของพลังค์ สูตรนี้เป็นหลักฐานของความเป็นคู่ ทางด้านซ้ายคือโมเมนตัมของอนุภาคแต่ละตัว (โฟตอน) และทางขวาคือความยาวคลื่นของโฟตอน ความเป็นคู่ของอิเล็กตรอนซึ่งเราเคยมองว่าเป็นอนุภาคนั้น ปรากฏให้เห็นในความจริงที่ว่าเมื่อสะท้อนจากพื้นผิวของผลึกเดี่ยว จะสังเกตเห็นรูปแบบการเลี้ยวเบนของแสง ซึ่งเป็นการแสดงคุณสมบัติของคลื่นของอิเล็กตรอน ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างลักษณะรูปร่างของร่างกายและคลื่นของอิเล็กตรอนเหมือนกับโฟตอน: p = h/λ (p คือโมเมนตัมของอิเล็กตรอน และ λ คือความยาวคลื่นเดอบรอกลี) ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นรองรับฟิสิกส์ควอนตัม

คลื่น (ขน) เป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับสื่อวัสดุที่มีปริมาตรหนึ่งในอวกาศเสมอ

64. คลื่นเดอ Broglie สมบัติการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนของอนุภาคไมโคร

การพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับคุณสมบัติของคลื่นกล้ามเนื้อของสสารที่ได้รับในสมมติฐานเกี่ยวกับลักษณะคลื่นของการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดเล็ก Louis de Broglie จากแนวคิดเรื่องสมมาตรในธรรมชาติของอนุภาคของสสารและแสง ที่มาจากกระบวนการภายในของอนุภาคขนาดเล็ก (ค.ศ. 1924) เมื่อรวมสูตร E = hν และ E = mc 2 เขาได้รับความสัมพันธ์ที่แสดงว่าอนุภาคใด ๆ มีของตัวเอง ความยาวคลื่น : λ B \u003d h / mv \u003d h / p โดยที่ p คือโมเมนตัมของอนุภาคคลื่น ตัวอย่างเช่น สำหรับอิเล็กตรอนที่มีพลังงาน 10 eV ความยาวคลื่นเดอบรอกลีคือ 0.388 นาโนเมตร ต่อมาพบว่าสถานะของอนุภาคขนาดเล็กในกลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายได้ด้วยความซับซ้อนบางอย่าง ฟังก์ชันคลื่น พิกัด Ψ(q) และกำลังสองของโมดูลัสของฟังก์ชันนี้ |Ψ| 2 กำหนดการกระจายความน่าจะเป็นของค่าพิกัด ฟังก์ชันนี้ถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกในกลศาสตร์ควอนตัมโดย Schrodinger ในปี 1926 ดังนั้นคลื่น de Broglie จึงไม่ส่งพลังงาน แต่สะท้อนเพียง "การกระจายเฟส" ของกระบวนการเป็นระยะที่น่าจะเป็นไปได้ในอวกาศ ดังนั้นคำอธิบายของสถานะของวัตถุของ microworld คือ ลักษณะความน่าจะเป็นตรงกันข้ามกับวัตถุของมหภาคซึ่งอธิบายโดยกฎของกลศาสตร์คลาสสิก

เพื่อพิสูจน์ความคิดของเดอ บรอกลีเกี่ยวกับธรรมชาติของคลื่นของอนุภาคขนาดเล็ก นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Elsasser แนะนำให้ใช้คริสตัลเพื่อสังเกตการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน (1925) ในสหรัฐอเมริกา K. Davisson และ L. Germer ได้ค้นพบปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนระหว่างการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนผ่านแผ่นคริสตัลนิกเกิล (1927) J.P. Thomson ในอังกฤษและ P.S. ค้นพบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนเมื่อผ่านแผ่นโลหะโดยอิสระ Tartakovsky ในสหภาพโซเวียต ดังนั้นแนวคิดของเดอ Broglie เกี่ยวกับคุณสมบัติของคลื่นของสสารจึงได้รับการยืนยันจากการทดลอง ต่อมา สมบัติการเลี้ยวเบนและคลื่นจึงถูกค้นพบในลำแสงอะตอมและโมเลกุล คุณสมบัติของคลื่นเม็ดเลือดนั้นไม่เพียงมีโฟตอนและอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอนุภาคขนาดเล็กทั้งหมดด้วย

การค้นพบคุณสมบัติคลื่นของอนุภาคขนาดเล็กแสดงให้เห็นว่าสสารเช่นสนาม (ต่อเนื่อง) และสสาร (ไม่ต่อเนื่อง) จากมุมมองของฟิสิกส์คลาสสิกถือว่าแตกต่างกันในเชิงคุณภาพภายใต้เงื่อนไขบางประการสามารถแสดงคุณสมบัติที่มีอยู่ในทั้งสอง แบบฟอร์ม นี่พูดถึงความเป็นเอกภาพของสสารเหล่านี้ คำอธิบายที่สมบูรณ์ของคุณสมบัติของพวกเขาสามารถทำได้บนพื้นฐานของแนวคิดที่ตรงกันข้าม แต่เป็นแนวคิดเสริม

หากคุณคิดว่าเราจมดิ่งลงไปในการลืมเลือนกับหัวข้อที่บิดเบี้ยวสมองของเรา เราก็รีบเร่งที่จะทำให้คุณไม่พอใจและทำให้คุณพอใจ: คุณคิดผิดแล้ว! อันที่จริง ตลอดเวลานี้ เราได้พยายามหาวิธีที่ยอมรับได้สำหรับการนำเสนอหัวข้อบ้าๆ ที่เกี่ยวข้องกับควอนตัมที่ขัดแย้งกัน เราเขียนร่างจดหมายหลายฉบับ แต่พวกเขาทั้งหมดถูกโยนทิ้งในที่เย็น เพราะเมื่อพูดถึงเรื่องตลกควอนตัม เราเองก็สับสนและยอมรับว่าเราไม่เข้าใจมากนัก (และจริงๆ แล้ว มีเพียงไม่กี่คนที่เข้าใจเรื่องนี้ รวมทั้งนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของโลกด้วย) อนิจจา โลกควอนตัมนั้นต่างจากโลกทัศน์ของพวกฟิลิสเตียมากจนไม่ต้องละอายเลยที่จะยอมรับความเข้าใจผิดและพยายามทำความเข้าใจอย่างน้อยพื้นฐานร่วมกันทีละเล็กทีละน้อย

และถึงแม้เราจะพยายามบอกเล่าเรื่องราวด้วยรูปภาพจาก Google ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่ผู้อ่านที่ไม่มีประสบการณ์จะต้องเตรียมการเบื้องต้น ดังนั้นเราขอแนะนำให้คุณดูหัวข้อก่อนหน้าของเรา โดยเฉพาะเกี่ยวกับควอนตัมและสสาร
โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับมนุษยศาสตร์และผู้สนใจอื่นๆ - ความขัดแย้งของควอนตัม ส่วนที่ 1.

ในหัวข้อนี้ เราจะพูดถึงความลึกลับที่พบบ่อยที่สุดของโลกควอนตัม - ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น เมื่อเราพูดว่า "ธรรมดาที่สุด" เราหมายความว่านักฟิสิกส์เบื่อหน่ายกับมันมากจนดูเหมือนจะไม่เป็นเรื่องลึกลับ แต่ทั้งหมดนี้เป็นเพราะความขัดแย้งของควอนตัมที่เหลือนั้นยากยิ่งกว่าที่จิตใจของคนธรรมดาจะยอมรับ

และมันก็เป็นเช่นนั้น ในสมัยก่อนที่ดี บางแห่งในกลางศตวรรษที่ 17 นิวตันและไฮเกนส์ไม่เห็นด้วยว่ามีแสง นิวตันประกาศอย่างไร้ยางอายว่าแสงเป็นกระแสของอนุภาค และไฮเกนส์ในวัยชราพยายามพิสูจน์ว่าแสงเป็นคลื่น แต่นิวตันมีอำนาจมากกว่า ดังนั้นคำกล่าวของเขาเกี่ยวกับธรรมชาติของแสงจึงเป็นที่ยอมรับว่าเป็นความจริง และไฮเกนส์ก็หัวเราะเยาะ และเป็นเวลากว่าสองร้อยปีที่แสงถือเป็นกระแสของอนุภาคที่ไม่รู้จัก ซึ่งครั้งหนึ่งพวกเขาเคยหวังว่าจะค้นพบ

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 19 นักตะวันออกชื่อ Thomas Young ขลุกอยู่กับอุปกรณ์เกี่ยวกับสายตา ในท้ายที่สุด เขาได้ทำการทดลองซึ่งปัจจุบันเรียกว่าการทดลองของ Young และนักฟิสิกส์ทุกคนถือว่าประสบการณ์นี้ศักดิ์สิทธิ์

โธมัส จุงเพิ่งสั่งลำแสง (ที่มีสีเดียวกัน เพื่อให้ความถี่ใกล้เคียงกัน) ของแสงผ่านช่องสองช่องในจาน และวางแผ่นกั้นอีกแผ่นไว้ด้านหลัง และแสดงผลให้เพื่อนร่วมงานทราบ หากแสงเป็นกระแสของอนุภาค เราจะเห็นแถบแสงสองแถบในแบ็คกราวด์
แต่น่าเสียดายสำหรับโลกวิทยาศาสตร์ทั้งหมด มีแถบสีเข้มและแถบสว่างปรากฏขึ้นบนแผ่นสกรีน ปรากฏการณ์ทั่วไปที่เรียกว่าการรบกวนคือการซ้อนทับกันของคลื่นสองคลื่น (หรือมากกว่า) ที่ซ้อนทับกัน

อย่างไรก็ตาม ต้องขอบคุณการรบกวนที่เราสังเกตเห็นการล้นสีรุ้งบนจุดที่มีน้ำมันหรือฟองสบู่

กล่าวอีกนัยหนึ่ง Thomas Jung ได้ทดลองพิสูจน์แล้วว่าแสงคือคลื่น โลกวิทยาศาสตร์ไม่ต้องการที่จะเชื่อ Jung เป็นเวลานาน และครั้งหนึ่งเขาถูกวิพากษ์วิจารณ์อย่างมากจนเขาละทิ้งแนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีคลื่น แต่ความชอบธรรมในตนเองยังคงได้รับชัยชนะ และนักวิทยาศาสตร์เริ่มมองว่าแสงเป็นคลื่น จริงคลื่นของอะไร - มันเป็นเรื่องลึกลับ
ในภาพนี้ ประสบการณ์เก่าที่ดีของจุง

ต้องบอกว่าธรรมชาติของคลื่นของแสงไม่ได้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อฟิสิกส์คลาสสิก นักวิทยาศาสตร์เขียนสูตรใหม่และเริ่มเชื่อว่าอีกไม่นานโลกทั้งโลกจะล้มลงภายใต้สูตรสากลเดียวสำหรับทุกสิ่ง
แต่คุณก็เดาได้ ไอน์สไตน์ทำเรื่องยุ่งๆ เช่นเคย ปัญหาเพิ่มขึ้นในอีกด้านหนึ่ง - ในตอนแรกนักวิทยาศาสตร์สับสนโดยการคำนวณพลังงานของคลื่นความร้อนและค้นพบแนวคิดของควอนตัม (โปรดอ่านหัวข้อที่เกี่ยวข้อง "") เกี่ยวกับเรื่องนี้ และด้วยความช่วยเหลือของควอนตัมเดียวกันนี้ ไอน์สไตน์จึงจัดการกับฟิสิกส์ด้วยการอธิบายปรากฏการณ์ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก

กล่าวโดยย่อ: เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก (ผลที่ตามมาคือการเปิดรับฟิล์ม) คือการกระแทกอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของวัสดุบางชนิดด้วยแสง ในทางเทคนิค การเคาะนี้เกิดขึ้นราวกับว่าแสงเป็นอนุภาค ไอน์สไตน์เรียกอนุภาคของแสงว่าควอนตัมของแสง และต่อมาได้ชื่อว่าเป็นโฟตอน

ในปี 1920 เอฟเฟกต์คอมป์ตันที่น่าทึ่งถูกเพิ่มเข้าไปในทฤษฎีต้านคลื่นของแสง: เมื่ออิเล็กตรอนถูกทิ้งระเบิดด้วยโฟตอน โฟตอนจะกระเด้งอิเล็กตรอนออกจากอิเล็กตรอนด้วยการสูญเสียพลังงาน ("เรายิง" เป็นสีน้ำเงิน แต่มันบินไปแล้ว สีแดง) เหมือนลูกบิลเลียดจากลูกอื่น คอมป์ตันได้รับรางวัลโนเบลสำหรับเรื่องนี้

คราวนี้ นักฟิสิกส์ระมัดระวังไม่เพียงแค่ละทิ้งธรรมชาติคลื่นของแสง แต่กลับคิดหนัก วิทยาศาสตร์เผชิญปริศนาอันน่าสะพรึงกลัว: แสงยังคงเป็นคลื่นหรืออนุภาค?

แสงก็เหมือนกับคลื่นอื่นๆ ที่มีความถี่ ซึ่งตรวจสอบได้ง่าย เราเห็นสีต่างกันเพราะแต่ละสีเป็นเพียงความถี่ที่แตกต่างกันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) สีแดงคือความถี่ต่ำสีม่วงเป็นความถี่สูง
แต่มันน่าทึ่งมาก: ความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้นั้นใหญ่กว่าอะตอมถึงห้าพันเท่า - "สิ่งของ" ดังกล่าวจะพอดีกับอะตอมได้อย่างไรเมื่ออะตอมดูดซับคลื่นนี้ ถ้ามีเพียงโฟตอนที่มีขนาดเท่ากับอะตอม โฟตอนมีทั้งขนาดใหญ่และขนาดเล็กในเวลาเดียวกันหรือไม่?

นอกจากนี้ โฟโตอิเล็กทริกและเอฟเฟกต์คอมป์ตันยังพิสูจน์ได้อย่างชัดเจนว่าแสงยังคงเป็นกระแสของอนุภาค: เป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายวิธีที่คลื่นส่งผ่านพลังงานไปยังอิเล็กตรอนที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นในอวกาศ - หากแสงเป็นคลื่น อิเล็กตรอนบางตัวก็จะถูกกระแทกออกไป ช้ากว่าคนอื่น ๆ และปรากฏการณ์ที่เราจะไม่สังเกตผลโฟโตอิเล็กทริก แต่ในกรณีของการไหล โฟตอนตัวเดียวชนกับอิเล็กตรอนตัวเดียว และภายใต้เงื่อนไขบางประการ โฟตอนจะกระแทกออกจากอะตอม

ในที่สุดก็ตัดสินใจว่าแสงเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค ค่อนข้างไม่ใช่อย่างใดอย่างหนึ่ง แต่เป็นรูปแบบใหม่ที่ไม่รู้จักก่อนหน้านี้ของการดำรงอยู่ของสสาร: ปรากฏการณ์ที่เราสังเกตเห็นเป็นเพียงการฉายภาพหรือเงาของสถานการณ์จริงขึ้นอยู่กับว่าคุณมองสิ่งที่เกิดขึ้นอย่างไร เมื่อเราดูเงาของทรงกระบอกที่ส่องสว่างจากด้านหนึ่ง เราเห็นวงกลม และเมื่อส่องจากอีกด้านหนึ่ง เงาจะเป็นสี่เหลี่ยม ดังนั้นมันจึงเป็นด้วยการแสดงแทนคลื่นกล้ามเนื้อของแสง

แต่แม้ที่นี่ทุกอย่างไม่ใช่เรื่องง่าย เราไม่สามารถพูดได้ว่าเราถือว่าแสงเป็นคลื่นหรือกระแสของอนุภาค มองออกไปนอกหน้าต่าง. ทันใดนั้น แม้แต่ในแก้วที่ล้างสะอาดแล้ว เราก็เห็นภาพสะท้อนของเรา แม้จะไม่ชัดเจนก็ตาม จับอะไร? หากแสงเป็นคลื่น การสะท้อนในหน้าต่างก็อธิบายได้ง่าย - เราจะเห็นผลกระทบที่คล้ายคลึงกันกับน้ำเมื่อคลื่นสะท้อนจากสิ่งกีดขวาง แต่ถ้าแสงเป็นกระแสของอนุภาค ก็ไม่สามารถอธิบายการสะท้อนอย่างง่ายๆ ได้ ท้ายที่สุดโฟตอนทั้งหมดก็เหมือนกัน อย่างไรก็ตามหากเหมือนกันหมด อุปสรรคในรูปแบบของกระจกหน้าต่างก็ควรส่งผลกระทบต่อพวกเขาอย่างเท่าเทียมกัน ไม่ว่าพวกมันทั้งหมดจะผ่านกระจกหรือสะท้อนออกมาทั้งหมด และในความเป็นจริงที่โหดร้าย โฟตอนบางตัวบินผ่านกระจก และเราเห็นบ้านข้างเคียงและสังเกตการสะท้อนของเราทันที

และคำอธิบายเดียวที่นึกได้คือโฟตอนอยู่ในใจของพวกมันเอง เป็นไปไม่ได้ที่จะทำนายได้อย่างแน่ชัดว่าโฟตอนจะมีพฤติกรรมอย่างไร - ไม่ว่าจะชนกับกระจกเป็นอนุภาคหรือเป็นคลื่น นี่คือพื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัม - พฤติกรรมสุ่มโดยสมบูรณ์ของสสารในระดับจุลภาคโดยไม่มีเหตุผลใดๆ (และในโลกของเราที่มีปริมาณมาก เรารู้จากประสบการณ์ว่าทุกอย่างมีเหตุผล) นี่คือโปรแกรมสร้างตัวเลขสุ่มที่สมบูรณ์แบบเมื่อเทียบกับการโยนเหรียญ

ไอน์สไตน์ผู้ฉลาดหลักแหลมผู้ค้นพบโฟตอน มั่นใจว่าฟิสิกส์ควอนตัมผิดไปจนตลอดชีวิต และรับรองกับทุกคนว่า "พระเจ้าไม่เล่นลูกเต๋า" แต่วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ยืนยันมากขึ้นเรื่อยๆ เขายังคงเล่นอยู่

ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง แต่เมื่อนักวิทยาศาสตร์ตัดสินใจที่จะยุติข้อพิพาท "คลื่นหรืออนุภาค" และทำซ้ำประสบการณ์ของ Jung โดยคำนึงถึงเทคโนโลยีของศตวรรษที่ 20 ถึงเวลานี้ พวกเขาได้เรียนรู้ที่จะยิงโฟตอนทีละครั้ง (เครื่องกำเนิดควอนตัม รู้จักกันในหมู่ประชากรภายใต้ชื่อ "เลเซอร์") ดังนั้นจึงมีความคิดที่จะตรวจสอบว่าจะเกิดอะไรขึ้นบนหน้าจอหากอนุภาคหนึ่งถูกยิงด้วยสอง กรีด: ในที่สุดมันก็จะชัดเจน เกิดอะไรขึ้นภายใต้เงื่อนไขควบคุมของการทดสอบ

และทันใดนั้น - แสงควอนตัมเดียว (โฟตอน) แสดงรูปแบบการรบกวนนั่นคืออนุภาคบินผ่านรอยแยกทั้งสองในเวลาเดียวกันโฟตอนแทรกแซงตัวเอง (ในแง่วิทยาศาสตร์) มาอธิบายประเด็นทางเทคนิคกันดีกว่า - อันที่จริง ภาพการรบกวนไม่ได้แสดงโดยโฟตอนเดียว แต่โดยชุดของภาพที่หนึ่งอนุภาคในช่วงเวลา 10 วินาที - เมื่อเวลาผ่านไปขอบของ Jung ปรากฏขึ้นบนหน้าจอซึ่งคุ้นเคยกับทั้งสามคนตั้งแต่ปี 1801 .

จากมุมมองของคลื่น นี่เป็นเหตุผล - คลื่นเคลื่อนผ่านรอยแยก และตอนนี้คลื่นลูกใหม่สองคลื่นแยกจากกันเป็นวงกลมที่มีศูนย์กลางและทับซ้อนกัน
แต่จากมุมมองของร่างกาย ปรากฎว่าโฟตอนอยู่ในสองตำแหน่งพร้อมกันเมื่อผ่านช่องผ่า และหลังจากผ่านเข้าไปแล้ว โฟตอนจะปะปนกับตัวมันเอง มันเป็นเรื่องปกติทั้งหมดใช่มั้ย?
ปรากฎว่าโอเค ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากโฟตอนอยู่ในรอยแยกสองช่องในคราวเดียว หมายความว่ามันอยู่พร้อม ๆ กันทุกที่ทั้งก่อนรอยกรีดและหลังจากผ่านเข้าไป และโดยทั่วไป จากมุมมองของฟิสิกส์ควอนตัม โฟตอนที่ปล่อยออกมาระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดจะพร้อมกัน "ทุกที่และในครั้งเดียว" การค้นพบอนุภาค "ในครั้งเดียวทุกที่" นี้ถูกเรียกโดยนักฟิสิกส์ว่าการทับซ้อน - คำที่น่ากลัวที่เคยเป็นการเล่นตลกทางคณิตศาสตร์ได้กลายเป็นความจริงทางกายภาพแล้ว

อี. ชโรดิงเงอร์ ซึ่งเป็นคู่ต่อสู้ที่รู้จักกันดีของฟิสิกส์ควอนตัม ได้ค้นพบสูตรที่อธิบายคุณสมบัติของคลื่นของสสาร เช่น น้ำ และเมื่อคิดใคร่ครวญเหนือมันเล็กน้อย ถึงความน่าสะพรึงกลัวของเขาเอง เขาได้อนุมานถึงฟังก์ชันคลื่นที่เรียกว่า ฟังก์ชันนี้แสดงความน่าจะเป็นที่จะพบโฟตอนในที่ใดที่หนึ่ง โปรดทราบว่าเป็นความน่าจะเป็น ไม่ใช่ตำแหน่งที่แน่นอน และความน่าจะเป็นนี้ขึ้นอยู่กับกำลังสองของความสูงของยอดคลื่นควอนตัม ณ ตำแหน่งที่กำหนด (หากใครสนใจในรายละเอียด)

เราจะอุทิศบทแยกต่างหากในประเด็นการวัดตำแหน่งของอนุภาค

การค้นพบเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าสิ่งต่าง ๆ ที่มีความเป็นคู่นั้นเลวร้ายยิ่งกว่าและลึกลับกว่า
ในปีพ.ศ. 2467 หลุยส์ เดอ บรอกลีบางคนได้หยิบมันขึ้นมาและกล่าวว่าคุณสมบัติของคลื่นเม็ดเลือดของแสงคือส่วนปลายของภูเขาน้ำแข็ง และอนุภาคมูลฐานทั้งหมดมีคุณสมบัติที่เข้าใจยาก
นั่นคือ ไม่เพียงแต่อนุภาคของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (โฟตอน) แต่ยังรวมถึงอนุภาคจริง เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน ฯลฯ ที่เป็นอนุภาคและคลื่นในเวลาเดียวกัน สสารรอบตัวเราอยู่ในระดับจุลภาค คือคลื่น(และอนุภาคในเวลาเดียวกัน)

และสองสามปีต่อมา สิ่งนี้ได้รับการยืนยันแม้กระทั่งในการทดลอง - ชาวอเมริกันขับอิเล็กตรอนในหลอดรังสีแคโทด (ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในปัจจุบันว่าผายลมในชื่อ "kinescope") ดังนั้นการสังเกตที่เกี่ยวข้องกับการสะท้อนของอิเล็กตรอนจึงยืนยันว่าอิเล็กตรอนคือ ยังเป็นคลื่น (เพื่อความสะดวกในการทำความเข้าใจคุณสามารถพูดได้ว่าแผ่นที่มีสองช่องวางอยู่ในเส้นทางของอิเล็กตรอนและเห็นการรบกวนของอิเล็กตรอนตามที่เป็นอยู่)

จนถึงปัจจุบัน มีการค้นพบในการทดลองว่าแม้แต่อะตอมก็มีคุณสมบัติของคลื่น และแม้แต่โมเลกุลพิเศษบางประเภท (ที่เรียกว่า "ฟูลเลอรีน") ก็ปรากฏเป็นคลื่น

ความอยากรู้อยากเห็นของผู้อ่านที่ยังไม่คลั่งไคล้เรื่องราวของเรา จะถามว่า: ถ้าเรื่องเป็นคลื่น แล้วทำไม ตัวอย่างเช่น ลูกบอลที่บินได้ไม่ทาเป็นคลื่นในอวกาศ? ทำไมเครื่องบินเจ็ทถึงไม่มีลักษณะเป็นคลื่น แต่อย่างใด แต่คล้ายกับเครื่องบินไอพ่นมาก?

De Broglie ให้ตายสิ แล้วเขาก็อธิบายทุกอย่าง ใช่ ลูกบอลที่บินได้หรือ "โบอิ้ง" ก็เป็นคลื่นเช่นกัน แต่ความยาวของคลื่นนี้ยิ่งเล็กลง แรงกระตุ้นก็จะยิ่งมากขึ้น โมเมนตัมคือมวลคูณความเร็ว นั่นคือ ยิ่งมวลของสสารมากเท่าใด ความยาวคลื่นของสสารก็จะยิ่งสั้นลงเท่านั้น ความยาวคลื่นของลูกบอลที่บินด้วยความเร็ว 150 กม. / ชม. จะเท่ากับ 0.00 เมตรโดยประมาณ ดังนั้นเราจึงไม่สามารถสังเกตได้ว่าลูกบอลกระจายไปทั่วอวกาศเป็นคลื่นอย่างไร สำหรับเรา เรื่องนี้เป็นเรื่องที่มั่นคง
อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่เบามากและบินด้วยความเร็ว 6000 กม. / วินาทีจะมีความยาวคลื่นที่สังเกตได้ 0.0000000001 เมตร

อย่างไรก็ตาม เราจะตอบคำถามทันทีว่าทำไมนิวเคลียสของอะตอมจึงไม่ "เหมือนคลื่น" แม้ว่ามันจะตั้งอยู่ใจกลางอะตอมซึ่งรอบ ๆ นั้นทำให้ตะลึงอิเล็กตรอนบินและในเวลาเดียวกันก็มีโมเมนตัมที่เหมาะสมซึ่งสัมพันธ์กับมวลของโปรตอนและนิวตรอนรวมถึงการสั่นความถี่สูง (ความเร็ว) เนื่องจากการมีอยู่ของการแลกเปลี่ยนอนุภาคอย่างต่อเนื่องภายในนิวเคลียสปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง (อ่านหัวข้อ) ดังนั้นแกนกลางจึงเป็นเหมือนสสารที่เราคุ้นเคยมากกว่า เห็นได้ชัดว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคเดียวที่มีมวลซึ่งมีคุณสมบัติเป็นคลื่นเด่นชัด ดังนั้นทุกคนจึงศึกษามันด้วยความกระตือรือร้น

กลับไปที่อนุภาคของเรากัน ปรากฎว่าอิเล็กตรอนที่หมุนรอบอะตอมเป็นทั้งอนุภาคและคลื่น นั่นคืออนุภาคหมุนรอบตัวและในเวลาเดียวกันอิเล็กตรอนก็เหมือนคลื่นคือเปลือกที่มีรูปร่างที่แน่นอนรอบนิวเคลียส - สมองของมนุษย์จะเข้าใจสิ่งนี้ได้อย่างไร

ข้างต้น เราได้คำนวณแล้วว่าอิเล็กตรอนที่บินได้มีความยาวคลื่นค่อนข้างมาก (สำหรับพิภพเล็ก) และคลื่นดังกล่าวต้องการพื้นที่จำนวนมากอย่างไม่เหมาะสมเพื่อให้พอดีกับนิวเคลียสของอะตอม นี่คือสิ่งที่อธิบายอะตอมขนาดใหญ่เช่นนี้เมื่อเปรียบเทียบกับนิวเคลียส ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนกำหนดขนาดของอะตอม ช่องว่างระหว่างนิวเคลียสกับพื้นผิวของอะตอมเต็มไปด้วย "ตำแหน่ง" ของความยาวคลื่น (และในเวลาเดียวกันของอนุภาค) ของอิเล็กตรอน นี่เป็นคำอธิบายที่หยาบและไม่ถูกต้อง โปรดยกโทษให้เราด้วย ที่จริงแล้ว ทุกอย่างซับซ้อนกว่านั้นมาก แต่เป้าหมายของเราคืออย่างน้อยก็อนุญาตให้ผู้ที่สนใจจะกัดเศษหินแกรนิตของวิทยาศาสตร์

ให้มันชัดเจนอีกครั้ง!หลังจากความคิดเห็นบางส่วนในบทความ [ใน JP] เราตระหนักดีว่ามีข้อสังเกตที่สำคัญที่บทความนี้ขาดหายไป ความสนใจ! รูปแบบของสสารที่เรากำลังอธิบายอยู่ไม่ใช่ทั้งคลื่นและอนุภาค เท่านั้น (พร้อมกัน) มีคุณสมบัติของคลื่นและคุณสมบัติของอนุภาค ไม่สามารถพูดได้ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นอิเล็กทรอนิกส์เป็นเหมือนคลื่นทะเลหรือคลื่นเสียง คลื่นที่เราคุ้นเคยเป็นตัวแทนของการแพร่กระจายของสิ่งรบกวนในอวกาศที่เต็มไปด้วยสารบางอย่าง
โฟตอน อิเล็กตรอน และตัวอย่างอื่นๆ ของ microworld เมื่อเคลื่อนที่ในอวกาศสามารถอธิบายได้ด้วยสมการคลื่น พวกมันเหมือนคลื่นในพฤติกรรมเท่านั้น แต่ไม่ว่าในกรณีใดพวกมันจะเป็นคลื่น คล้ายกับด้านร่างกายของสสาร: พฤติกรรมของอนุภาคคล้ายกับการพุ่งของลูกบอลจุดเล็ก ๆ แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ลูกบอล
สิ่งนี้จะต้องเข้าใจและยอมรับ ไม่เช่นนั้นการไตร่ตรองทั้งหมดของเราจะนำไปสู่การค้นหาสิ่งที่คล้ายคลึงกันในมหภาคในที่สุด และด้วยเหตุนี้ ความเข้าใจเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมจึงจะสิ้นสุดลง และความเหลื่อมล้ำหรือปรัชญาหลอกลวงจะเริ่มขึ้นเหมือนเวทมนตร์ควอนตัมและความเป็นรูปธรรมของ ความคิด

ข้อสรุปและผลที่ตามมาที่น่าสยดสยองที่เหลือของประสบการณ์ที่ทันสมัยของจุงจะกล่าวถึงในตอนต่อไป - ความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก, แมวของชโรดิงเงอร์, หลักการกีดกันของเปาลี และความพัวพันควอนตัมรอผู้ป่วยและผู้อ่านที่รอบคอบซึ่งอ่านบทความของเราซ้ำมากกว่าหนึ่งครั้งและค้นหา บนอินเทอร์เน็ตเพื่อค้นหาข้อมูลเพิ่มเติม

ขอขอบคุณทุกท่านที่ให้ความสนใจ เพลิดเพลินไปกับการนอนไม่หลับหรือฝันร้ายทางปัญญา!

หมายเหตุ: เราขอเตือนคุณอย่างขยันขันแข็งว่ารูปภาพทั้งหมดนำมาจาก Google (การค้นหารูปภาพ) - มีการตัดสินผู้แต่งที่นั่น
การคัดลอกข้อความอย่างผิดกฎหมายถูกดำเนินคดี ปราบปราม คุณรู้ไหม..

39. Corpuscular-wave dualism ของคุณสมบัติของสสาร

Corpuscular-wave dualism ของคุณสมบัติของรังสี EM ซึ่งหมายความว่าธรรมชาติของแสงสามารถพิจารณาได้จากสองด้าน: ด้านหนึ่งเป็นคลื่นซึ่งมีคุณสมบัติปรากฏในกฎของการแพร่กระจายแสง การรบกวน การเลี้ยวเบนและโพลาไรซ์ ในทางกลับกัน แสงเป็นกระแสของอนุภาคที่มีพลังงาน โมเมนตัม คุณสมบัติทางร่างกายของแสงปรากฏให้เห็นในกระบวนการปฏิสัมพันธ์ของแสงกับสสาร (เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก, เอฟเฟกต์คอมป์ตัน)

จากการวิเคราะห์สามารถเข้าใจได้ว่ายิ่งความยาวคลื่น l ยาวขึ้น พลังงานก็จะยิ่งต่ำลง (จาก E \u003d hc / l) ยิ่งโมเมนตัมเล็กลง ยิ่งตรวจจับคุณสมบัติควอนตัมของแสงได้ยากขึ้น

ยิ่งโฟตอนมีพลังงาน l => น้อยกว่ามาก ยิ่งยากต่อการตรวจจับคุณสมบัติของคลื่นของแสง

ความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติของคลื่นกล้ามเนื้อและกระดูกคู่ของแสงสามารถอธิบายได้โดยใช้วิธีการทางสถิติในการพิจารณารูปแบบของการกระจายแสง

ตัวอย่างเช่น การเลี้ยวเบนของแสงโดยช่อง: เมื่อแสงผ่านช่อง โฟตอนจะถูกกระจายในอวกาศ เนื่องจากความน่าจะเป็นที่โฟตอนกระทบจุดต่าง ๆ ของหน้าจอไม่เหมือนกัน รูปแบบการเลี้ยวเบนจึงเกิดขึ้น การส่องสว่างของหน้าจอ (จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบบนจอ) เป็นสัดส่วนกับความน่าจะเป็นที่โฟตอนจะพุ่งชนจุดนี้ ในทางกลับกัน ความสว่างของหน้าจอจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูดคลื่น I~E 2 ดังนั้นแอมพลิจูดกำลังสองของคลื่นแสงที่จุดที่กำหนดในอวกาศจึงเป็นการวัดความน่าจะเป็นที่โฟตอนจะชนจุดนั้นในอวกาศ

44. สมการชโรดิงเงอร์สำหรับสถานะนิ่ง

สมการ (217.5) เรียกว่า สมการชโรดิงเงอร์ สำหรับสภาวะคงที่สมการนี้รวมพลังงานทั้งหมดเป็นพารามิเตอร์ อีอนุภาค ในทฤษฎีสมการเชิงอนุพันธ์ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสมการดังกล่าวมีคำตอบเป็นจำนวนอนันต์ จากนั้นจึงเลือกคำตอบที่มีความหมายทางกายภาพโดยกำหนดเงื่อนไขขอบเขต สำหรับสมการชโรดิงเงอร์ เงื่อนไขดังกล่าวเป็นเงื่อนไขของความสม่ำเสมอของฟังก์ชันคลื่น: ฟังก์ชันคลื่นต้องจำกัด มีค่าเดียว และต่อเนื่องร่วมกับอนุพันธ์อันดับแรก ดังนั้นเฉพาะคำตอบที่แสดงโดยฟังก์ชันปกติ  เท่านั้นจึงมีความหมายทางกายภาพจริง ๆ แต่โซลูชันปกติจะไม่เกิดขึ้นกับค่าใด ๆ ของพารามิเตอร์ อี อะเฉพาะสำหรับบางชุดเท่านั้น ลักษณะของงานที่กำหนด ค่าพลังงานเหล่านี้เรียกว่า เป็นเจ้าของ.โซลูชั่นที่ตรงกัน เป็นเจ้าของค่าพลังงานเรียกว่า ฟังก์ชั่นของตัวเองค่าลักษณะเฉพาะ อีสามารถสร้างได้ทั้งแบบต่อเนื่องและแบบไม่ต่อเนื่อง ในกรณีแรกพูดถึง ต่อเนื่องหรือ ต่อเนื่อง, สเปกตรัม,ในวินาที - เกี่ยวกับสเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่อง

40. คลื่น De Broglie และคุณสมบัติของพวกเขา

De Broglie แย้งว่าไม่เพียง แต่โฟตอนเท่านั้น แต่ยังมีอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่น ๆ ของสสารพร้อมด้วย corpuscular มีคุณสมบัติคลื่นด้วย ตามคำกล่าวของเดอ บรอกลี แต่ละไมโครอ็อบเจ็กต์เกี่ยวโยงกันในด้านหนึ่ง corpuscularลักษณะ - พลังงาน อีและโมเมนตัม อาร์และที่อื่น ๆ - ลักษณะคลื่น- ความถี่ v และความยาวคลื่น ถึง.ความสัมพันธ์เชิงปริมาณที่เชื่อมต่อคุณสมบัติของเม็ดเลือดและคลื่นของอนุภาคจะเหมือนกับโฟตอน: อี= hv, พี= ชม/  . (213.1) ความกล้าหาญของสมมติฐานของเดอ บรอกลีนั้นชัดเจนในข้อเท็จจริงที่ว่าความสัมพันธ์ (213.1) ถูกตั้งสมมติฐานไว้ไม่เพียงแต่สำหรับโฟตอนเท่านั้น แต่สำหรับอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ ด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผู้ที่มีมวลพัก ดังนั้น อนุภาคใดๆ ที่มีโมเมนตัมสัมพันธ์กับกระบวนการของคลื่นที่มีความยาวคลื่นกำหนดโดย ตามสูตร de Broglie:  = ชม/ พี. (213.2) ความสัมพันธ์นี้ใช้ได้กับอนุภาคใดๆ ที่มีโมเมนตัม ร.ในไม่ช้าสมมติฐานของ de Broglie ก็ได้รับการยืนยันจากการทดลอง (K. Davisson, L. Germer) พบว่าลำอิเล็กตรอนที่กระจัดกระจายจากตะแกรงเลี้ยวเบนธรรมชาติ - คริสตัลนิกเกิล - ให้รูปแบบการเลี้ยวเบนที่ชัดเจน ค่าสูงสุดของการเลี้ยวเบนสอดคล้องกับสูตรวูล์ฟ-แบร็กส์ (182.1) และความยาวคลื่นของแบรกก์กลับกลายเป็นว่าเท่ากับความยาวคลื่นที่คำนวณโดยสูตร (213.2) ทุกประการ ต่อมา สูตร de Broglie ได้รับการยืนยันโดยการทดลองของ P. S. Tartakovsky และ G. Thomson ซึ่งสังเกตรูปแบบการเลี้ยวเบนระหว่างลำแสงอิเล็กตรอนเร็ว (พลังงาน 50 keV) ผ่านโลหะฟอยล์ (ความหนา 1 μm) เนื่องจากมีการศึกษารูปแบบการเลี้ยวเบนสำหรับการไหลของอิเล็กตรอน จึงจำเป็นต้องพิสูจน์ว่าคุณสมบัติของคลื่นนั้นมีอยู่ในกระแสไม่เพียงแต่ในการไหลของอิเล็กตรอนชุดใหญ่เท่านั้น แต่ยังอยู่ในอิเล็กตรอนแต่ละตัวแยกจากกันด้วย สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองในปี 1948 โดยนักฟิสิกส์โซเวียต V. A. Fabrikant (b. 1907) เขาแสดงให้เห็นว่าแม้ในกรณีของลำแสงอิเล็กตรอนที่อ่อนแอเช่นนี้ เมื่ออิเล็กตรอนแต่ละตัวเคลื่อนผ่านอุปกรณ์อย่างอิสระจากอิเล็กตรอนอื่น (ช่วงเวลาระหว่างอิเล็กตรอนสองตัวนานกว่าเวลาที่อิเล็กตรอนผ่านอุปกรณ์ 10 4 เท่า) การเลี้ยวเบน รูปแบบที่เกิดขึ้นระหว่างการเปิดรับแสงเป็นเวลานานไม่แตกต่างจากรูปแบบการเลี้ยวเบนซึ่งได้รับจากการเปิดรับแสงสั้น ๆ สำหรับการไหลของอิเล็กตรอน รุนแรงขึ้นหลายสิบล้านเท่า ดังนั้น คุณสมบัติของคลื่นของอนุภาคจึงไม่ใช่คุณสมบัติของส่วนรวม แต่มีอยู่ในแต่ละอนุภาคแยกจากกัน ต่อจากนั้นก็พบปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนของนิวตรอน โปรตอน คานอะตอมและโมเลกุลด้วย การทดลองพิสูจน์การมีอยู่ของคุณสมบัติคลื่นของไมโครอนุภาคนำไปสู่ข้อสรุปว่าเรามีปรากฏการณ์สากล ซึ่งเป็นคุณสมบัติทั่วไปของสสาร แต่แล้วคุณสมบัติของคลื่นก็ต้องมีอยู่ในวัตถุที่มีขนาดมหึมาด้วย เหตุใดจึงไม่พบการทดลอง ตัวอย่างเช่น อนุภาคที่มีน้ำหนัก 1 g เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 m/s สอดคล้องกับคลื่น de Broglie ที่มี =6.62 10 -31 m ความยาวคลื่นนี้อยู่นอกพื้นที่ที่สามารถสังเกตได้ (โครงสร้างเป็นระยะที่มีคาบ d 10 -31 ไม่มีอยู่) ดังนั้นจึงเชื่อกันว่าวัตถุที่มีขนาดมหึมาแสดงคุณสมบัติเพียงด้านเดียว - เม็ดเลือด - และไม่แสดงคลื่น ความคิดเกี่ยวกับธรรมชาติคลื่นคู่ของอนุภาคสสารนั้นลึกซึ้งยิ่งขึ้นโดยข้อเท็จจริงที่ว่าความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานทั้งหมดของอนุภาคถูกถ่ายโอนไปยังอนุภาคของสสาร จีและความถี่ v ของคลื่นเดอบรอกลี: e=hv. (213.3) นี่แสดงว่าความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและความถี่ในสูตร (213.3) มีอักขระ อัตราส่วนสากลใช้ได้กับโฟตอนและอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ ความถูกต้องของความสัมพันธ์ (213.3) เกิดขึ้นจากข้อตกลงกับประสบการณ์ของผลลัพธ์ทางทฤษฎีที่ได้รับด้วยความช่วยเหลือในกลศาสตร์ควอนตัม ฟิสิกส์ปรมาณูและนิวเคลียร์ สมมติฐานที่ยืนยันโดยการทดลองของเดอบรอกลีเกี่ยวกับความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของคุณสมบัติของสสารได้เปลี่ยนแนวคิดเกี่ยวกับคุณสมบัติของไมโครออบเจกต์ไปอย่างสิ้นเชิง ไมโครออบเจกต์ทั้งหมดมีทั้งคุณสมบัติของกล้ามเนื้อและคลื่น ในเวลาเดียวกัน อนุภาคขนาดเล็กไม่สามารถถือเป็นอนุภาคหรือคลื่นในความหมายคลาสสิก การตีความที่ทันสมัยของความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นสามารถแสดงออกได้ด้วยคำพูดของนักฟิสิกส์ทฤษฎีโซเวียต V. A. Fok (1898-1974): เป็นอนุภาคหรือในทางกลาง มันอยู่ในนี้ ศักยภาพลักษณะต่าง ๆ ของคุณสมบัติที่มีอยู่ในวัตถุขนาดเล็กและความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นประกอบด้วย ความเข้าใจอื่นใดตามตัวอักษรมากขึ้นเกี่ยวกับความเป็นคู่นี้ในรูปแบบของบางรุ่นเป็นสิ่งที่ผิด