Dualita vlnových častíc a ako to funguje

Princíp duality vlnových častíc kvantová fyzika zastáva názor, že hmota a svetlo prejavujú správanie sa vĺn aj častíc v závislosti od okolností experimentu. Je to zložitá téma, ale patrí medzi najzaujímavejšie z fyziky.

V 16. Rokoch 20. storočia Christiaan Huygens a Isaac Newton navrhli konkurenčné teórie správania svetla. Huygens navrhol vlnovú teóriu svetla, zatiaľ čo Newtonova teória bola „korpuskulárna“ (časticová) teória svetla. Huygensova teória mala určité problémy pri pozorovaní a Newtonova prestíž pomohla prepožičať podporu tejto teórii, takže po viac ako storočie dominovala Newtonova teória.

Začiatkom devätnásteho storočia sa objavili komplikácie pre korpuskulárnu teóriu svetla. difrakcie boli pozorované pre jednu vec, ktorú mal problém primerane vysvetliť. Thomas Youngov experiment s dvoma štrbinami vyústilo do zjavného vlnového správania a zdalo sa, že pevne podporuje vlnovú teóriu svetla nad Newtonovou teóriou častíc.

Vlna sa všeobecne musí šíriť prostredníctvom média nejakého druhu. Médium, ktoré navrhol Huygens, bolo

Problém s vlnovou teóriou bol v tom, že taký éter nebol nikdy nájdený. Nielen to, ale astronomické pozorovania hviezdnej aberácie Jamesom Bradleym v roku 1720 naznačujú, že éter by musel byť stacionárny vo vzťahu k pohybujúcej sa Zemi. V priebehu 18. storočia sa robili pokusy priamo odhaliť éter alebo jeho pohyb, ktorý vyvrcholil slávnym Michelson-Morleyov experiment. Všetkým sa nepodarilo zistiť éter, čo viedlo k obrovskej diskusii na začiatku dvadsiateho storočia. Boli svetlo alebo vlna?

V roku 1905 Albert Einstein uverejnil svoj príspevok na vysvetlenie fotoelektrický efekt, ktorý navrhol, že svetlo prešlo ako diskrétne zväzky energie. Energia obsiahnutá vo fotóne súvisí s frekvenciou svetla. Táto teória sa stala známou ako fotónová teória svetla (hoci slovo fotón nebolo razené až o roky neskôr).

Pri fotónoch už éter nebol nevyhnutný ako prostriedok šírenia, hoci stále zostal zvláštny paradox, prečo sa pozorovalo vlnové správanie. Ešte zvláštnejšie boli kvantové variácie experimentu s dvojitou štrbinou a Comptonov efekt ktoré zrejme potvrdzujú interpretáciu častíc.

Keď sa vykonávali experimenty a zhromažďovali sa dôkazy, dôsledky sa rýchlo stali jasnými a alarmujúcimi:

Svetlo funguje ako častica aj vlna, v závislosti od toho, ako sa experiment uskutočňuje a kedy sa pozorovania uskutočňujú.

Otázka, či sa takáto dualita prejavila aj vo veci, sa odvážne riešila de Broglieho hypotéza, ktorý rozšíril Einsteinovu prácu týkajúcu sa pozorovania vlnovej dĺžky hmoty s jej hybnosťou. Experimenty potvrdili hypotézu v roku 1927, ktorej výsledkom bola Nobelova cena za rok 1929 de Broglie.

Rovnako ako svetlo sa zdalo, že hmota vykazuje vlastnosti vlny a častíc za správnych okolností. Je zrejmé, že masívne objekty vykazujú veľmi malé vlnové dĺžky, v skutočnosti také malé, že je zbytočné myslieť na ne vlnovým spôsobom. Pri malých objektoch však môže byť vlnová dĺžka pozorovateľná a významná, čo dokazuje experiment s dvojitou štrbinou s elektrónmi.

Hlavný význam diverzity vlnových častíc je, že všetko správanie svetla a hmoty môže byť vysvetlené pomocou diferenciálnej rovnice, ktorá predstavuje vlnovú funkciu, zvyčajne vo forme z Schrodingerova rovnica. Táto schopnosť opísať realitu vo forme vĺn je jadrom kvantovej mechaniky.

Najbežnejšou interpretáciou je, že vlnová funkcia predstavuje pravdepodobnosť nájdenia danej častice v danom bode. Tieto pravdepodobnostné rovnice môžu rozptyľovať, interferovať a vykazovať ďalšie vlastnosti podobné vlnám, čo vedie k výslednej funkcii pravdepodobnostných vĺn, ktorá tieto vlastnosti tiež vykazuje. Častice sa nakoniec distribuujú podľa pravdepodobnostných zákonov, a preto vykazujú vlnové vlastnosti. Inými slovami, pravdepodobnosť výskytu častice v ľubovoľnom mieste je vlna, ale skutočný fyzikálny vzhľad tejto častice nie je.

Kým matematika, aj keď zložitá, robí presné predpovede, fyzikálny význam týchto rovníc je oveľa ťažšie pochopiť. Pokus o vysvetlenie toho, čo v skutočnosti dualita vlnových častíc znamená, je v kvantovej fyzike kľúčovým bodom diskusie. Existuje veľa interpretácií, ktoré sa snažia vysvetliť toto, ale všetky sú viazané rovnakou množinou vlnových rovníc... a nakoniec musí vysvetliť rovnaké experimentálne pozorovania.

Upravil Anne Marie Helmenstine, Ph. D.