Dualita vlnových částic a jak to funguje

Princip duality vlnových částic kvantová fyzika tvrdí, že hmota a světlo projevují chování vln i částic v závislosti na okolnostech experimentu. Je to složité téma, ale patří k nejzajímavějším ve fyzice.

V 1600s, Christiaan Huygens a Isaac Newton navrhly konkurenční teorie chování světla. Huygens navrhl vlnovou teorii světla, zatímco Newtonova teorie byla „korpuskulární“ (částicová) teorie světla. Huygensova teorie měla určité problémy v pozorování a Newtonova prestiž pomohla propůjčit podporu jeho teorii, takže po více než století byla Newtonova teorie dominantní.

Na počátku devatenáctého století se objevily komplikace pro korpuskulární teorii světla. Difrakce byly pozorovány pro jednu věc, kterou měl potíže adekvátně vysvětlit. Thomas Youngův experiment se dvěma štěrbinami vyústil ve zjevné vlnové chování a zdálo se, že pevně podporuje vlnovou teorii světla nad Newtonovou teorií částic.

Vlna se obecně musí šířit skrze médium nějakého druhu. Médium navržené Huygensem bylo

Problém s vlnovou teorií byl v tom, že žádný takový ether nebyl nikdy nalezen. Nejen to, ale astronomická pozorování hvězdné aberace Jamesem Bradleym v roce 1720 naznačují, že éter by musel být ve vztahu k pohybující se Zemi stacionární. Skrz osmnáctá léta byly učiněny pokusy přímo detekovat éter nebo jeho pohyb a kulminovaly slavným Michelson-Morleyův experiment. Všichni se nepodařilo skutečně detekovat éter, což vedlo k obrovské debatě na začátku dvacátého století. Bylo světlo vlna nebo částice?

V roce 1905 Albert Einstein publikoval svůj příspěvek k vysvětlení fotoelektrický efekt, který navrhl, že světlo cestuje jako diskrétní svazky energie. Energie obsažená ve fotonu byla vztažena k frekvenci světla. Tato teorie se stala známou jako fotonová teorie světla (ačkoli slovo foton nebylo vytvořeno až o roky později).

U fotonů již ether nebyl jako prostředek propagace nezbytný, ačkoli stále zůstával podivný paradox, proč bylo pozorováno vlnové chování. Ještě zvláštnější byly kvantové variace experimentu s dvojitou štěrbinou a Comptonův efekt což zřejmě potvrdilo interpretaci částic.

Po provedení experimentů a hromadění důkazů se důsledky rychle staly jasnými a alarmujícími:

Světlo funguje jako částice i vlna, v závislosti na tom, jak je experiment prováděn a kdy jsou pozorována.

Otázka, zda se tato dualita objevila i ve hmotě, byla odvážná de Broglieho hypotéza, který rozšířil Einsteinovu práci o uvedení pozorované vlnové délky hmoty na její hybnost. Experimenty potvrdily hypotézu v 1927, končit 1929 Nobelovy ceny pro de Broglie.

Stejně jako světlo se zdálo, že hmota za správných okolností vykazuje jak vlnové vlastnosti, tak vlastnosti částic. Je zřejmé, že masivní objekty vykazují velmi malé vlnové délky, ve skutečnosti tak malé, že je zbytečné myslet na ně vlnovým způsobem. U malých objektů však může být vlnová délka pozorovatelná a významná, což dokazuje experiment s dvojitou štěrbinou s elektrony.

Hlavním významem duality vlnových částic je, že veškeré chování světla a hmoty může být vysvětleno pomocí diferenciální rovnice, která představuje vlnovou funkci, obvykle ve formě z Schrodingerova rovnice. Tato schopnost popsat realitu ve formě vln je jádrem kvantové mechaniky.

Nejběžnější interpretace je, že vlnová funkce představuje pravděpodobnost nalezení dané částice v daném bodě. Tyto pravděpodobnostní rovnice mohou difraktovat, interferovat a vykazovat další vlastnosti podobné vlnám, což má za následek konečnou pravděpodobnostní vlnovou funkci, která tyto vlastnosti také vykazuje. Částice se nakonec distribuují podle pravděpodobnostních zákonů, a proto vykazují vlnové vlastnosti. Jinými slovy, pravděpodobnost, že částice bude na jakémkoli místě, je vlna, ale skutečný fyzický vzhled této částice není.

Zatímco matematika, i když složitá, činí přesné předpovědi, fyzický význam těchto rovnic je mnohem těžší pochopit. Pokus vysvětlit, co dualita vlnových částic „ve skutečnosti znamená“, je klíčovým bodem debaty v kvantové fyzice. Existuje mnoho interpretací, které se to snaží vysvětlit, ale všechny jsou vázány stejnou sadou vlnových rovnic... a nakonec musí vysvětlit stejná experimentální pozorování.

Editoval Anne Marie Helmenstine, Ph. D.