Aaltohiukkasten kaksinaisuus ja miten se toimii

Aaltohiukkasten kaksinaisuuden periaate kvanttifysiikka pitää tätä ainetta ja valoa käyttäytyvänä sekä aaltojen että hiukkasten suhteen kokeen olosuhteista riippuen. Se on monimutkainen aihe, mutta fysiikan mielenkiintoisimpia.

1600-luvulla Christiaan Huygens ja Isaac Newton ehdotti kilpailevia teorioita valon käyttäytymisestä. Huygens ehdotti valon aalto-teoriaa, kun taas Newtonin valot olivat "elimistön" (hiukkasten) valoteoria. Huygensin teoriassa oli joitain näkökohtia havainnon sovittamisessa ja Newtonin arvovalta auttoi tukemaan hänen teoriaansa, joten yli vuosisadan ajan Newtonin teoria oli hallitseva.

Yhdeksännentoista vuosisadan alkupuolella valon kudos teorialle syntyi komplikaatioita. diffraktio oli havaittu yhdestä asiasta, jota sillä oli vaikeuksia selittää riittävästi. Thomas Youngin kaksoishalkaisukoe johti ilmeiseen aaltokäyttäytymiseen ja näytti tukevan vakaasti valoaaltoteoriaa Newtonin hiukkasteoriassa.

Aallon on yleensä leviävä jonkin tyyppisen väliaineen läpi. Huygensin ehdottama väline oli ollut

Aaltoteorian ongelma oli, että sellaista eetteriä ei ollut koskaan löydetty. Paitsi, että myös James Bradleyn vuonna 1720 tekemä tähtitieteelliset havainnot tähtien poikkeavuuksista olivat osoittaneet, että eetterin olisi oltava paikallaan liikkuvan maan suhteen. Koko 1800-luvun ajan yritettiin havaita eetteri tai sen liike suoraan, huipentuen kuuluisaan Michelson-Morley-koe. He kaikki eivät pystyneet tunnistamaan eetteriä, mikä johti valtavaan keskusteluun 2000-luvun alkaessa. Oliko valo aalto vai hiukkas?

Vuonna 1905 Albert Einstein julkaisi paperinsa selittääkseen valosähköinen ilmiö, joka ehdotti, että valo kulki erillisinä energiakimppuina. Fotonin sisältämä energia suhteutettiin valon taajuuteen. Tämä teoria tuli tunnetuksi nimellä fotoniteoria valoa (vaikka sana fotoni syntyi vasta vuosia myöhemmin).

Fotonien kanssa eetteri ei ollut enää välttämätön etenemiskeinona, vaikka se kuitenkin jätti oudon paradoksin, miksi aaltojen käyttäytymistä havaittiin. Vielä erikoisempia olivat kaksoisrakojen ja Compton-vaikutus joka näytti vahvistavan hiukkasten tulkinnan.

Kun kokeita tehtiin ja todisteita kertyi, vaikutukset tulivat nopeasti selville ja hälyttäviksi:

Valo toimii sekä hiukkasena että aallona riippuen siitä, miten kokeet suoritetaan ja milloin havaintoja tehdään.

Kysymys siitä, ilmenikö tällainen kaksinaisuus myös asiassa, vastustettiin rohkeasti de Broglie -hypoteesi, joka laajensi Einsteinin työtä suhteuttaakseen havaitun aineen aallonpituuden sen momenttiin. Kokeet vahvistivat hypoteesin vuonna 1927, mikä johti vuoden 1929 Nobel-palkinnon saamiseen de Broglie.

Aivan kuten valossa, näytti siltä, ​​että aineella oli sekä aalto- että hiukkasominaisuuksia oikeissa olosuhteissa. On selvää, että massiivisilla esineillä on hyvin pienet aallonpituudet, niin pienet, että on melko turhaa ajatella niitä aalto-muodossa. Mutta pienillä esineillä aallonpituus voi olla havaittavissa ja merkittävä, kuten kaksoisrakojen koe elektronilla osoittaa.

Aaltohiukkasten kaksinaisuuden tärkein merkitys on, että kaikki valon ja aineen käyttäytyminen voi olla selitettiin käyttämällä differentiaaliyhtälöä, joka edustaa aaltofunktiota, yleensä muodossa n Schrodingerin yhtälö. Kyky kuvata todellisuutta aaltojen muodossa on kvanttimekaniikan ydin.

Yleisin tulkinta on, että aaltofunktio edustaa todennäköisyyttä löytää tietty hiukkas tietystä kohdasta. Nämä todennäköisyysyhtälöt voivat diffragoida, häiritä ja osoittaa muita aaltomaisia ​​ominaisuuksia, johtaen lopulliseen todennäköisyyden aaltofunktioon, jolla on myös nämä ominaisuudet. Hiukkaset päätyvät jakautumaan todennäköisyyslakien mukaisesti ja siksi osoittavat aalto-ominaisuudet. Toisin sanoen hiukkasen todennäköisyys olla missä tahansa paikassa on aalto, mutta hiukkasen todellinen fyysinen ulkonäkö ei ole.

Vaikka matematiikka, vaikka se on monimutkainen, tekee tarkkoja ennusteita, näiden yhtälöiden fyysinen merkitys on paljon vaikeampi ymmärtää. Yritys selittää, mitä aaltohiukkasten kaksinaisuus "todella tarkoittaa", on kvanttifysiikan keskustelun avainkohta. Tämän tulkitsemiseksi on olemassa monia tulkintoja, mutta kaikkia niitä sitoo sama aaltoyhtälöryhmä... ja lopulta hänen on selitettävä samat kokeelliset havainnot.

Muokannut Tohtori Anne Marie Helmenstine