Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм: визначення терміна, властивості

Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм? Це характеристика фотонів та інших субатомних частинок, які поводяться в одних умовах як хвилі, а в інших - як частинки.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовин і світла є важливою частиною квантової механіки, оскільки з його допомогою найкращий демонструється той факт, що таких понять, як «хвилі» та «частинки», які чудово працюють у класичній механіці, недостатньо для пояснення поведінки деяких квантових об`єктів.

Подвійний характер світла отримав визнання у фізиці після 1905 року, коли Альберт Ейнштейн описав поведінку світла за допомогою фотонів, які були описані як частинки. Потім Ейнштейн опублікував менш відому спеціальну теорію відносності, в якій світло було описано поведінкою хвиль.

Частинки, що виявляють подвійну поведінку

Найкраще принцип корпускулярно-хвильового дуалізму спостерігається в поведінці фотонів. Це найлегші і дрібні об`єкти, що проявляють подвійну поведінку. Серед більших об`єктів, таких як елементарні частинки, атоми і навіть молекули, теж можна спостерігати елементи корпускулярно-хвильового дуалізму, проте більші об`єкти поводяться як хвилі надзвичайно короткої довжини, тому за ними дуже складно спостерігати. Зазвичай для опису поведінки більших або макроскопічних частинок цілком достатньо понять, використовуваних в класичній механіці.

Докази корпускулярно-хвильового дуалізму

Люди протягом багатьох століть і навіть тисячоліть замислювалися над природою світла і речовини. До порівняно недавнього часу фізики вважали, що характеристики світла і речовини зобов`язані бути однозначними: світло може бути або потоком частинок, або хвилею, так само як і речовина, або складається з окремих частинок, повністю підкоряються законам ньютонівської механіки, або є суцільним, нероздільним середовищем.

Спочатку в Новий час була популярна теорія про поведінку світла як потоку окремих частинок, тобто корпускулярна теорія. Її дотримувався сам Ньютон. Однак пізніші фізики, такі як Гюйгенс, Френель та Максвелл, дійшли висновку, що світло є хвилею. Поведінка світла вони пояснювали коливанням електромагнітного поля, а взаємодія світла і речовини в цьому випадку підпадало під пояснення класичної теорії поля.

Однак на початку ХХ століття фізики зіткнулися з тим, що ні перше, ні друге пояснення не можуть повністю покрити область поведінки світла при різних умовах і взаємодіях.

З тих пір численні експерименти довели дуалізм поведінки деяких частинок. Однак особливий вплив на появу і прийняття корпускулярно-хвильового дуалізму властивості квантових об`єктів надали перші, найбільш ранні експерименти, які поставили крапку у суперечках про природу поведінки світла.

Фотоефект: світло складається з частинок

Фотоефект, який також називають фотоелектричним ефектом, - це процес взаємодії світла (або будь-якого іншого електромагнітного випромінювання) з речовиною, в результаті якого енергія частинок світла передається частинкам речовини. Під час вивчення фотоефекту поведінку фотоелектронів не можна пояснити класичною електромагнітною теорією.

Генріх Герц ще в 1887 році зазначив, що спрямування ультрафіолетового світла на електроди збільшило їх здатність створювати електричні іскри. Ейнштейн в 1905 році пояснив фотоефект тим, що світло поглинається і випромінюється певними квантовими порціями, які він спочатку назвав квантами світла, а потім охрестив їх фотонами.

Експеримент Роберта Міллікена, проведений в 1921 році, підтвердив судження Ейнштейна і привів до того, що останній отримав Нобелівську премію за відкриття фотоефекту, а сам Міллікен отримав Нобелівську премію в 1923 році за роботу над елементарними частинками і вивчення фотоефекту.

Досвід Девіссона-Джермера: світло-це хвиля

Досвід Девіссона-Джермера підтвердив гіпотезу де Бройля про корпускулярно-хвильовий дуалізм світла і послужив базою для формулювання законів квантової механіки.

Обидва фізики вивчали відображення електронів від монокристала нікелю. Установка, що знаходиться у вакуумі, складалася з сошлифованного під певним кутом монокристала нікелю. Прямо перпендикулярно площині зрізу прямував пучок монохроматичних електронів.

Досліди показали, що в результаті відображення електрони розсіюються дуже селективно, тобто у всіх відбитих променях, незалежно від швидкостей і кутів, спостерігаються максимуми і мінімуми інтенсивності. Таким чином, Девіссон і Джермер експериментально підтвердили наявність у частинок хвильових властивостей.

У 1948 році радянський фізик В. А. Фабрикант експериментально підтвердив, що хвильові функції притаманні не тільки потоку електронів, але і кожному електрону окремо.

Досвід Юнга з двома щілинами

Практичний експеримент Томаса Юнга з двома щілинами є демонстрацією того, що і світло і матерія можуть проявляти характеристики як хвиль, так і частинок.

Експеримент Юнга практично демонструє природу корпускулярно-хвильового дуалізму, незважаючи на те, що був вперше проведений на початку XIX століття, ще до появи теорії дуалізму.

Суть експерименту полягає в наступному: джерело світла (наприклад, лазерний промінь) спрямований на пластину, де пророблені дві паралельні щілини. Світло, що проходить через щілини, відбивається на екрані позаду пластини.

Хвильова природа світла змушує світлові хвилі, що проходять через щілини, змішуватися, утворюючи світлі та темні смуги на екрані, чого не сталося б, якби світло поводилося виключно як частинки. Однак екран поглинає і відбиває світло, а фотоефект-доказ корпускулярної природи світла.

Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії?

Питанням, чи може матерія вести себе так само дуально, як і світло, зайнявся де Бройль. Йому належить смілива гіпотеза про те, що за певних умов і залежно від експерименту не тільки фотони, а й електрони можуть демонструвати корпускулярно-хвильовий дуалізм. Бройль розвинув свою ідею про хвилі ймовірності не тільки фотонів світла, але і макрочастинок в 1924 році.

Коли гіпотеза була доведена за допомогою експерименту Девіссона-Джермера і повторення досвіду Юнга з двома щілинами (з електронами замість фотонів), де Бройль отримав Нобелівську премію (1929 рік).

Виявляється, матерія теж може вести себе як класична хвиля за правильних обставин. Звичайно, великі об`єкти створюють настільки короткі хвилі, що безглуздо їх спостерігати, однак менші об`єкти, такі як атоми або навіть молекули, демонструють помітну довжину хвилі, що дуже важливо для квантової механіки, яка практично побудована на хвильових функціях.

Значення корпускулярно-хвильового дуалізму

Головне значення концепції корпускулярно-хвильового дуалізму полягає в тому, що поведінку електромагнітних випромінювань і матерії можна описати за допомогою диференціального рівняння, яке представляє хвильову функцію. Зазвичай це рівняння Шредінгера. Можливість описати дійсність за допомогою хвильових функцій лежить в основі квантової механіки.

Найпоширенішою відповіддю на питання про те, що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм, є те, що хвильова функція представляє ймовірність знаходження певної частинки в певному місці. Іншими словами, ймовірність частинки опинитися в передбачуваному місці робить її хвилею, а її фізичний вигляд і форма хвилею не є.

Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм?

У той час як математика, хоч і вкрай складним способом, робить точні прогнози на основі диференціальних рівнянь, значення цих рівнянь для квантової фізики набагато більш складно зрозуміти і пояснити. Спроба пояснити, що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм, донині лежить в центрі дебатів квантової фізики.

Практичне значення корпускулярно-хвильового дуалізму полягає також в тому, що будь-який фізик повинен навчитися сприймати реальність дуже цікавим способом, коли думати практично про будь-якому об`єкті звичним способом вже недостатньо для адекватного сприйняття реальності.