Viļņu un daļiņu dualitāte: definīcija, piemēri un kvantu skaidrojums
Viļņu un daļiņu dualitāte, iespējams, ir viens no mulsinošākajiem jēdzieniem fizikā, jo tā ir ļoti atšķirīga no visa, ko mēs redzam parastajā pasaulē.
1700. un 1800. gados fiziķi, kas pētīja gaismu, strīdējās par to, vai gaisma sastāv no daļiņām vai viļņiem. Šķiet, ka gaisma veido abus. Dažkārt gaisma šķiet, ka tā iet tikai taisnā līnijā, it kā tā būtu veidota no daļiņām. Taču citi eksperimenti liecina, ka gaismai ir frekvence un viļņa garums, gluži kā skaņas viļņiem vai ūdens viļņiem. Līdz 20. gadsimtam lielākā daļa fiziķu uzskatīja, ka gaisma ir vai nu viens, vai otrs, un ka zinātnieki, kas atrodas otrā pusē, vienkārši kļūdās.
Ko nozīmē viļņu‑daļiņu dualitāte
Viļņu‑daļiņu dualitāte nozīmē, ka kvantu objekti — piemēram, fotoni (gaismas kvanti) un elektroni — reizēm uzvedas kā viļņi (veido interferenci, ir raksturīga viļņu garuma īpašība), bet citreiz viņi izrāda daļiņu īpašības (noteikts enerģijas kvants, konkrēta trāpījuma vieta detektorā). Nav tā, ka objekts vienlaikus būtu vienīgi viļņs vai vienīgi daļiņa; kvantu teorijā šie ir divi dažādi veidi, kā aprakstīt to, ko novēro atkarībā no mērījuma apstākļiem.
Vēsturiskie piemēri un slavenie eksperimenti
- Junga divu slīpju eksperiments (Young): ar gaismu parāda interferenci — gaišie un tumšie joslu raksti, kas raksturīgi viļņiem. Taču, ja kvantus (piem., ļoti vāja gaismu) sūta pa vienam, tomēr pēc laika uzkrājas interferenču raksts, kas liecina, ka katrs kvants "iznāk" kā viļņa amplitūda, bet tiek reģistrēts kā atsevišķa daļiņa.
- Fotoelektriskais efekts: Einstein parādīja, ka gaisma uz metāla var izsist elektronus tikai tad, ja fotoni ir pietiekami augstas enerģijas — šis eksperiments parāda gaismas daļiņu dabu (fotonus) un palīdzēja ieviest kvantizāciju.
- Elektronu difrakcija (Davisson‑Germer): elektroni, kas triec pret kristālu, rada difrakcijas rakstus, gluži kā viļņi. Tas pierādīja, ka materiālu daļiņām var būt viļņu īpašības.
Kā to izskaidro kvantu mehānika
Kvantu mehānikā objekts tiek aprakstīts ar viļņu funkciju ψ (psi). Šī funkcija satur informāciju par iespējamo novērojumu iznākumiem. Tad, saskaņā ar Borna interpretāciju, |ψ|² dod varbūtību atrast daļiņu noteiktā vietā. Tātad viļņa aspekts atspoguļojas šai viļņu funkcijai un tās interferencē; daļiņu aspekts parādās tad, kad mēs veicam mērījumu un iegūstam konkrētu rezultātu (piemēram, elektronam tiek noteikta atrašanās vieta).
Mērījums un komplementaritāte: Nīls Bors izvirzīja principu, ka viļņu un daļiņu īpašības ir komplementāras — mēs nevaram vienlaikus pilnībā novērot abus aspektus. Ja mēģinām uzzināt, pa kuru spraugu gāja elektrons (t.i., iegūstam "which‑way" informāciju), interferences raksts izzūd. Tas nav tikai praktiska problēma; tā ir fundamentāla kvantu uzvedība.
De Broglie hipoteze un moderna perspektīva: Luī de Broglie ierosināja, ka visām daļiņām var piesaistīt viļņa garumu λ = h/p (kur h ir Planka konstante, p — impulss). Mūsdienu kvantu lauka teorija vēl vairāk pieder pie perspektīvas, ka “daļiņas” ir lauka kvantējumi — excitācijas laukos, un to viļņu raksturs nāk no viļņu funkcijām un superpozīcijām. Tas nodrošina konsekventu aprakstu, kāpēc novērojumi reizēm izskatās daļiņas, reizēm — viļņi.
Praktiskā nozīme un tehnoloģijas
Viļņu‑daļiņu dualitāte nav tikai filozofisks jautājums — tā ir pamats daudziem mūsdienu izgudrojumiem:
- Elektronu mikroskopi: izmanto elektronu viļņu īpašības, lai sasniegtu augstu izšķirtspēju, kas pārsniedz optisko mikroskopu iespējas.
- Fotoni kvantu komunikācijā un kvantu kriptogrāfijā: fotonu viļņu un daļiņu īpašības tiek izmantotas informācijas pārsūtīšanai un drošībai.
- Pusvadītāju ierīces un optoelektronika: enerģiju kvantu uzvedība un gaismas‑materiāla mijiedarbība ir pamatā diodēm, lāzeriem un saules baterijām.
Kopsavilkums
Viļņu un daļiņu dualitāte atklāj, ka kvantu objekti nav pielīdzināmi mūsu ikdienas izpratnei par "bumbām" vai "viļņiem". Viņiem ir abu raksturojumu elementi, un to novērotais uzvedības veids atkarīgs no tā, kā mēs tos mēram. Kvantu mehānika, izmantojot viļņu funkciju un varbūtību interpretāciju, sniedz konsekventu skaidrojumu, kas atbilst eksperimentiem un ļauj izstrādāt tehnoloģijas, ko mēs izmantojam šodien.
Pašreizējā situācija
Pie šīs problēmas strādāja Makss Planks, Alberts Einšteins, Luijs de Brolijs, Artūrs Komptons, Nilss Bors. Pašreizējā zinātnes teorija ir tāda, ka visas daļiņas darbojas gan kā viļņi, gan kā daļiņas. Tas ir pārbaudīts elementārdaļiņām un saliktām daļiņām, piemēram, atomiem un molekulām. Makroskopiskām daļiņām viļņu īpašības parasti nav iespējams noteikt, jo to viļņu garums ir ļoti īss.
Eksperiments
1909. gadā zinātnieks Džefrijs Teilors nolēma atrisināt šo strīdu reizi par visām reizēm. Viņš izmantoja Tomasa Janga (Thomas Young) agrāk izgudroto eksperimentu, kurā gaisma tika izstarota caur diviem maziem caurumiem, kas atradās viens otram blakus. Kad caur šiem diviem mazajiem caurumiem tika izstarota spilgta gaisma, radās interferences zīmējums, kas šķietami pierādīja, ka gaisma patiesībā ir vilnis.
Teilora ideja bija no caurumiem izplūstošo gaismu fotografēt ar īpašu kameru, kas bija neparasti jutīga pret gaismu. Kad caur caurumiem tika izstarota spilgta gaisma, fotoattēlā parādījās interferences raksts, gluži tāpat kā Jangs to parādīja iepriekš. Tad Teilors samazināja gaismas intensitāti līdz ļoti vājai. Kad gaisma bija pietiekami vāja, Teilora fotogrāfijās bija redzami sīki gaismas punktiņi, kas izkliedējās no caurumiem. Šķita, ka tas liecina, ka gaisma patiesībā ir daļiņa. Ja Teilors ļāva blāvai gaismai pietiekami ilgi spīdēt caur caurumiem, punktiņi galu galā aizpildīja fotogrāfiju un atkal izveidoja interferences rakstu. Tas pierādīja, ka gaisma ir gan vilnis, gan daļiņa.
Lai situāciju padarītu vēl mulsinošāku, Luijs de Brolijs ierosināja, ka matērija varētu darboties tieši tāpat. Pēc tam zinātnieki veica tos pašus eksperimentus ar elektroniem un atklāja, ka arī elektroni ir gan daļiņas, gan viļņi. Elektronus var izmantot, lai veiktu Junga dubultšķautnes eksperimentu.
Mūsdienās šos eksperimentus ir veikuši tik dažādi cilvēki tik dažādos veidos, ka zinātnieki vienkārši atzīst, ka gan matērija, gan gaisma ir gan viļņi, gan daļiņas. Zinātnieki joprojām nav pārliecināti par to, kā tas ir iespējams, taču viņi ir pilnīgi pārliecināti, ka tā ir taisnība. Lai gan šķiet neiespējami saprast, kā kaut kas var būt gan vilnis, gan daļiņa, zinātnieku rīcībā ir vairāki vienādojumi šo lietu aprakstīšanai, kuros ir gan viļņa garuma (viļņa īpašība), gan impulsa (daļiņas īpašība) mainīgie. Šo šķietamo neiespējamību sauc par viļņu un daļiņu dualitāti.
Pamatteorija
Viļņu un daļiņu dualitāte nozīmē, ka visām daļiņām piemīt gan viļņu, gan daļiņu īpašības. Tas ir galvenais kvantu mehānikas jēdziens. Klasiskie jēdzieni "daļiņa" un "vilnis" pilnībā neapraksta kvantu mēroga objektu uzvedību.
Daļiņas kā viļņi
Elektronam ir viļņa garums, ko sauc par "de Brollija viļņa garumu". To var aprēķināt, izmantojot vienādojumu
λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}} 
λ D {\displaystyle \lambda _{D}}
ir de Brollija viļņa garums.
h {\displaystyle h}
ir Planka konstante.
ρ {\displaystyle \rho }
ir daļiņas impulss.
Tas radīja ideju, ka elektroniem atomos ir stāvviļņu modelis.
Viļņi kā daļiņas
Fotoelektriskais efekts parāda, ka gaismas fotons, kam ir pietiekami liela enerģija (pietiekami augsta frekvence), var izraisīt elektrona izdalīšanos no metāla virsmas. Šādā gadījumā elektronus var saukt par fotoelektroniem.
Saistītās lapas
- Makss Planks
- Kvantu mehānika
