Tokom proteklih stotinu godina, nauka je napravila veliki napredak u proučavanju strukture našeg sveta i na mikroskopskom i na makroskopskom nivou. Nevjerovatna otkrića koja nam donose specijalne i opće teorije relativnosti i kvantne mehanike još uvijek uzbuđuju umove javnosti. Međutim, bilo ko obrazovana osoba potrebno je razumjeti barem osnove savremenih naučnih dostignuća. Jedna od najimpresivnijih i najvažnijih tačaka je korpuskularno talasni dualizam. Ovo je paradoksalno otkriće čije je razumijevanje izvan dosega intuitivne svakodnevne percepcije.
Korpuskule i talasi
Dualizam je prvi put otkriven u proučavanju svjetlosti, koja se ponašala potpuno drugačije ovisno o uvjetima. S jedne strane, pokazalo se da je svjetlost optički elektromagnetski talas. S druge strane, diskretna čestica ( hemijsko dejstvo Sveta). U početku su naučnici vjerovali da se ove dvije ideje međusobno isključuju. Međutim, brojni eksperimenti su pokazali da to nije slučaj. Postepeno, stvarnost takvog koncepta kao što je dualitet talas-čestica postala je uobičajena. Ovaj koncept daje osnovu za proučavanje ponašanja složenih kvantnih objekata koji nisu ni talasi ni čestice, već samo dobijaju svojstva potonjih ili prvih u zavisnosti od određenih uslova.
Eksperiment sa dvostrukim prorezom
Difrakcija fotona - vizuelna demonstracija dualizam. Detektor naelektrisanih čestica je fotografska ploča ili fluorescentni ekran. Svaki pojedinačni foton je bio obeležen osvetljenjem ili tačkastim blicem. Kombinacija takvih oznaka dala je interferencijski obrazac - izmjenu slabo i jako osvijetljenih pruga, što je karakteristika difrakcije valova. Ovo se objašnjava konceptom kao što je dualnost talasa i čestica. Poznati fizičar i Nobelovac Richard Feynman je rekao da se materija ponaša na malim razmjerima na takav način da je nemoguće osjetiti "prirodnost" kvantnog ponašanja.
Univerzalni dualizam
Međutim, ovo iskustvo vrijedi ne samo za fotone. Pokazalo se da je dualizam svojstvo svake materije i da je univerzalan. Heisenberg je tvrdio da materija postoji u oba oblika naizmenično. Danas je apsolutno dokazano da se oba svojstva pojavljuju potpuno istovremeno.
Korpuskularni talas
Kako možemo objasniti ovakvo ponašanje materije? Talas koji je svojstven korpuskulama (česticama) naziva se de Broglie val, nazvan po mladom aristokratskom naučniku koji je predložio rješenje ovog problema. Općenito je prihvaćeno da de Broljeve jednadžbe opisuju talasnu funkciju, koja, na kvadrat, određuje samo vjerovatnoću da je čestica u drugačije vrijeme na različitim tačkama u prostoru. Jednostavno rečeno, de Broglieov talas je vjerovatnoća. Tako je uspostavljena jednakost između matematičkog koncepta (vjerovatnosti) i realnog procesa.
Kvantno polje
Šta su korpuskuli materije? Uglavnom, to su kvanti talasnih polja. Foton - kvantni elektromagnetno polje, pozitron i elektron - elektron-pozitron, mezon - kvant mezonskog polja i tako dalje. Interakcija između valnih polja objašnjava se razmjenom određenih međučestica između njih, na primjer, tokom elektromagnetne interakcije dolazi do izmjene fotona. Iz ovoga direktno slijedi još jedna potvrda da su valni procesi koje opisuje de Broglie apsolutno stvarni fizičke pojave. A dualizam čestica-val ne djeluje kao “misteriozno skriveno svojstvo” koje karakterizira sposobnost čestica da se “reinkarnira”. Jasno pokazuje dvije međusobno povezane radnje - kretanje objekta i valni proces povezan s njim.
Efekat tunela
Dualnost svetlosti talas-čestica povezana je sa mnogim drugim zanimljivih pojava. Smjer djelovanja de Broglieovog vala javlja se tokom takozvanog tunelskog efekta, odnosno kada fotoni prodiru kroz energetsku barijeru. Ova pojava je uzrokovana impulsom čestice koji prelazi prosječnu vrijednost u trenutku valnog antičvora. Tuneliranje je omogućilo razvoj mnogih elektronskih uređaja.
Interferencija svjetlosnih kvanta
Moderna nauka govori o interferenciji fotona na isti misteriozan način kao i o interferenciji elektrona. Ispostavilo se da foton, koji je nedjeljiva čestica, može istovremeno proći bilo kojom putanjom otvorenom sebi i ometati se. Ako uzmemo u obzir da su dualnost val-čestica svojstava materije i fotona val koji pokriva mnoge strukturni elementi, onda nije isključena njegova djeljivost. Ovo je u suprotnosti s prethodnim pogledima na česticu kao elementarnu nedjeljivu formaciju. Posjedujući određenu masu kretanja, foton formira uzdužni val povezan s ovim kretanjem, koji prethodi samoj čestici, budući da je brzina uzdužnog vala veća od brzine poprečnog elektromagnetnog vala. Stoga, postoje dva objašnjenja za interferenciju fotona sa samim sobom: čestica je podijeljena na dvije komponente, koje interferiraju jedna s drugom; Talas fotona putuje duž dva puta i formira interferencijski obrazac. Eksperimentalno je otkriveno da se interferencijski obrazac stvara i kada se jednostruko nabijene čestice-fotoni naizmjence prolaze kroz interferometar. Ovo potvrđuje tezu da svaki pojedinačni foton interferira sam sa sobom. Ovo se posebno jasno vidi kada se uzme u obzir činjenica da je svjetlost (ni koherentna ni monohromatska) skup fotona koje emituju atomi u međusobno povezanim i nasumičnim procesima.
Šta je svjetlost?
Svjetlosni val je elektromagnetno nelokalizirano polje koje je raspoređeno po cijelom prostoru. Elektromagnetno polje talasa ima zapreminsku gustinu energije koja je proporcionalna kvadratu amplitude. To znači da se gustina energije može promijeniti za bilo koju količinu, odnosno da je kontinuirana. S jedne strane, svjetlost je tok kvanta i fotona (korpuskula), koji zahvaljujući univerzalnosti takvog fenomena kao što je dualnost čestica-val, predstavljaju svojstva elektromagnetnog vala. Na primjer, u fenomenima interferencije i difrakcije i skala, svjetlost jasno pokazuje karakteristike vala. Na primjer, jedan foton, kao što je gore opisano, prolazi kroz dvostruki prorez stvara interferencijski uzorak. Uz pomoć eksperimenata je dokazano da jedan foton nije elektromagnetski impuls. Ne može se podijeliti na snopove s razdjelnicima snopa, kao što su pokazali francuski fizičari Aspe, Roger i Grangerier.
Svetlost takođe ima korpuskularna svojstva koja se manifestuju u Comptonovom efektu i fotoelektričnom efektu. Foton se može ponašati kao čestica koju u potpunosti apsorbiraju objekti čije su dimenzije mnogo manje od njegove valne dužine (na primjer, atomsko jezgro). U nekim slučajevima, fotoni se općenito mogu smatrati točkastim objektima. Nema razlike u kojoj poziciji razmatramo svojstva svjetlosti. U polju vida boja, tok svjetlosti može djelovati i kao val i čestica-foton kao kvant energije. Tačka fokusirana na fotoreceptor retine, kao što je membrana konusa, može omogućiti oku da formira vlastitu filtriranu vrijednost kao glavne spektralne zrake svjetlosti i sortira ih u valne dužine. Prema kvantnim energetskim vrijednostima, u mozgu će tačka objekta biti prevedena u osjećaj boje (fokusirana optička slika).
Dualnost talasa i čestica svetlosti znači da svetlost istovremeno ima svojstva kontinuiranih elektromagnetnih talasa i svojstva diskretnih fotona. Ovaj fundamentalni zaključak donijeli su fizičari u 20. vijeku i slijedio je iz prethodnih ideja o svjetlosti. Njutn je verovao da je svetlost tok korpukula, odnosno tok čestica materije koje lete pravolinijski. Ova teorija je dobro objasnila pravolinijsko širenje svjetlosti. No, pojavile su se poteškoće u objašnjavanju zakona refleksije i refrakcije, a fenomeni difrakcije i interferencije uopće se nisu mogli objasniti korpuskularnom teorijom. Stoga je nastala talasna teorija svjetlosti. Ova teorija je objasnila difrakciju i interferenciju, ali je imala poteškoća s objašnjenjem pravog svjetla. Tek u 19. veku J. Fresnel je, koristeći otkrića drugih fizičara, uspeo da spoji već izvedene principe u jednu teoriju, prema kojoj je svetlost poprečni mehanički talas. Maxwell je kasnije otkrio da je svjetlost jedna od vrsta elektromagnetno zračenje. Ali početkom 20. veka, zahvaljujući Ajnštajnovim otkrićima, ideje o svetlosti su se ponovo promenile. Svjetlost je postala shvaćena kao tok fotona. Ali određena svojstva svjetlosti bila su savršeno objašnjena teorijom valova. Svetlost ima i korpuskularna i talasna svojstva. U ovom slučaju postoje sljedeći obrasci: što je valna dužina kraća, to su manifestacije svjetlije korpuskularnih svojstava, što je duža talasna dužina, to su svojstva talasa svetlija.
Prema de Broglieu, svaki mikroobjekat je povezan, s jedne strane, sa korpuskularnim karakteristikama - energijom E i impulsom p, as druge strane sa karakteristikama talasa - frekvencijom i talasnom dužinom.
Francuski fizičar L. de Broglie je 1924. godine izneo smelu hipotezu: dualnost talas-čestica ima univerzalni karakter, tj. sve čestice koje imaju konačni impuls P imaju valna svojstva. Ovako se to pojavilo u fizici poznata formula de Broglie gdje je m masa čestice, V njena brzina, h je Plankova konstanta.
dakle, korpuskularna i valna svojstva mikro-objekta su nespojiva s obzirom na njihovu simultanu manifestaciju, ali su jednako karakteriziraju objekt, tj. dopunjuju jedno drugo. Ovu ideju je izrazio N. Bohr i on je formirao osnovu najvažnijeg metodološkog principa moderne nauke, koji trenutno ne pokriva samo fizičke nauke, već i sve prirodne nauke - princip komplementarnosti (1927.). Suština Princip komplementarnosti prema N. Boru svodi se na sljedeće: bez obzira koliko fenomeni idu dalje od klasičnog fizičkog objašnjenja, svi eksperimentalni podaci moraju biti opisani korištenjem klasičnih koncepata. Za puni opis kvantnomehaničkih pojava, potrebno je primijeniti dva međusobno isključiva (dodatna) skupa klasičnih pojmova, čija kombinacija daje najviše pune informacije o ovim fenomenima kao o holističkim.
Princip komplementarnosti opšti princip znanje se može formulirati na sljedeći način: svaki pravi fenomen prirode ne može se jednoznačno definirati riječima našeg jezika i zahtijeva za svoju definiciju najmanje dva međusobno isključiva dodatna pojma. Takvi fenomeni uključuju, na primjer, kvantne fenomene, život, psihu, itd. Bor je posebno uvidio potrebu primjene principa komplementarnosti u biologiji, što je izuzetno složena struktura i funkcije živih organizama koje im pružaju gotovo neiscrpne skrivene mogućnosti.
Ako ste mislili da smo potonuli u zaborav sa našim zapanjujućim temama, onda žurimo da vas razočaramo i obradujemo: prevarili ste se! Zapravo, sve ovo vrijeme pokušavamo pronaći prihvatljiv način predstavljanja suludih tema vezanih za kvantne paradokse. Napisali smo nekoliko nacrta, ali su svi bačeni na hladno. Jer kada je u pitanju objašnjavanje kvantnih šala, i sami se zbunimo i priznamo da ne razumijemo mnogo toga (a općenito, malo ljudi razumije ovu materiju, uključujući i kul naučnike svijeta). Jao, kvantni svijet je toliko stran filistarskom svjetonazoru da uopće nije sramota priznati svoje nesporazume i pokušati malo zajedno da shvatimo barem osnove.
I iako ćemo, kao i obično, nastojati da što jasnije razgovaramo sa slikama sa Gugla, neiskusnom čitatelju će biti potrebna početna priprema, pa vam preporučujemo da pogledate naše prethodne teme, posebno o kvantima i materiji.
Posebno za humaniste i druge zainteresovane - kvantni paradoksi. Dio 1.
U ovoj temi ćemo govoriti o najčešćim zagonetkama kvantni svijet- dualnost talas-čestica. Kada kažemo "najobičnije", mislimo da su se fizičari toliko umorili od toga da to čak i ne izgleda kao misterija. Ali to je sve zato što su druge kvantne paradoksi prosječnom umu još teže prihvatiti.
I bilo je ovako. U stara dobra vremena, negde sredinom 17. veka, Njutn i Hajgens nisu se slagali oko postojanja svetlosti: Njutn je besramno izjavljivao da je svetlost tok čestica, a stari Hajgens je pokušavao da dokaže da je svetlost talas. Ali Newton je bio autoritativniji, pa je njegova izjava o prirodi svjetlosti prihvaćena kao istinita, a Hajgens je bio ismijavan. I dvije stotine godina svjetlost se smatrala strujom nekih nepoznatih čestica, čiju su se prirodu nadali da će jednog dana otkriti.
Početkom 19. stoljeća, orijentalist po imenu Thomas Young okušao se u optičkim instrumentima - kao rezultat toga, uzeo je i izveo eksperiment koji se danas zove Youngov eksperiment, a svaki fizičar ovaj eksperiment smatra svetim.
Thomas Young je samo usmjerio snop (iste boje, tako da je frekvencija bila približno ista) svjetlosti kroz dva proreza na ploči, a iza nje postavio drugu ekransku ploču. I pokazao rezultat svojim kolegama. Kada bi svjetlost bila tok čestica, tada bismo u pozadini vidjeli dvije svjetlosne trake.
Ali nažalost naučni svet, niz tamnih i svijetlih pruga pojavio se na ekranu ploče. Uobičajena pojava koja se zove interferencija je superpozicija dva (ili više talasa) jedan iznad drugog.
Usput, zahvaljujući smetnjama uočavamo dugine nijanse na mrlji od ulja ili na mjehuru od sapunice.
Drugim riječima, Thomas Young je eksperimentalno dokazao da su svjetlost valovi. Naučni svijet dugo nije želio vjerovati Jungu, a svojevremeno je bio toliko kritiziran da je čak i napustio svoje ideje teorija talasa. Ali povjerenje u njihovu ispravnost je ipak pobijedilo, a naučnici su svjetlost počeli smatrati talasom. Istina, talas čega - bila je misterija.
Evo, na slici, stari dobri Jungov eksperiment.
Mora se reći da talasna priroda svetlosti nije u velikoj meri uticala na klasičnu fiziku. Naučnici su prepisali formule i počeli vjerovati da će uskoro cijeli svijet pasti pred njihove noge pod jedinstvenom univerzalnom formulom za sve.
Ali već ste pogodili da je Ajnštajn, kao i uvek, sve pokvario. Nevolja je prikrala s druge strane - naučnici su se u početku zbunili u izračunavanju energije toplotnih talasa i otkrili koncept kvanta (obavezno pročitajte o tome u našoj odgovarajućoj temi ""). A onda je uz pomoć tih istih kvanta Ajnštajn zadao udarac fizici, objašnjavajući fenomen fotoelektričnog efekta.
Ukratko: fotoelektrični efekat (čija je jedna od posljedica ekspozicija filma) je izbacivanje elektrona s površine određenih materijala svjetlošću. Tehnički, ovo izbacivanje se događa kao da je svjetlost čestica. Einstein je česticu svjetlosti nazvao kvantom svjetlosti, a kasnije je dobila ime - foton.
Godine 1920. dodata je antitalasna teorija svjetlosti neverovatan efekat Kompton: kada se elektron bombarduje fotonima, foton se odbija od elektrona sa gubitkom energije (mi "pucamo" plavom bojom, ali crveni odleti), kao bilijarska kugla od druge. Compton je za to dobio Nobelovu nagradu.
Ovog puta, fizičari su bili oprezni da jednostavno napuste talasnu prirodu svjetlosti, ali su umjesto toga dobro razmislili. Nauka je suočena sa zastrašujućom misterijom: da li je svjetlost talas ili čestica?
Svjetlost, kao i svaki val, ima frekvenciju - i to je lako provjeriti. Vidimo različite boje jer je svaka boja jednostavno drugačija frekvencija elektromagnetnog (svjetlosnog) vala: crvena je niska frekvencija, ljubičasta je visoka frekvencija.
Ali zadivljujuće je: talasna dužina vidljive svetlosti je pet hiljada puta veća od veličine atoma - kako se takva „stvar“ uklapa u atom kada atom apsorbuje ovaj talas? Ako je samo foton čestica koja je po veličini usporediva s atomom. Da li je foton i veliki i mali u isto vrijeme?
Osim toga, fotoelektrični efekat i Comptonov efekat jasno dokazuju da je svjetlost i dalje tok čestica: ne može se objasniti kako val prenosi energiju na elektrone lokalizirane u svemiru - da je svjetlost val, onda bi neki elektroni kasnije bili nokautirani. od drugih, i fenomen Ne bismo posmatrali fotoelektrični efekat. Ali u slučaju protoka, jedan foton se sudara sa jednim elektronom i, pod određenim uslovima, izbacuje ga iz atoma.
Kao rezultat toga, odlučeno je: svjetlost je i val i čestica. Ili bolje rečeno, ni jedno ni drugo, već novi, ranije nepoznati oblik postojanja materije: pojave koje posmatramo su samo projekcije ili sjene stvarnog stanja stvari, ovisno o tome kako gledate na ono što se događa. Kada pogledamo sjenku cilindra osvijetljenu s jedne strane, vidimo krug, a kada se osvijetli s druge strane, vidimo pravokutnu sjenu. Tako je i sa čestično-talasnom predstavom svjetlosti.
Ali ni ovdje nije sve lako. Ne možemo reći da svjetlost smatramo ili valom ili strujom čestica. Pogledaj kroz prozor. Odjednom, čak iu čisto opranom staklu, vidimo svoj vlastiti odraz, iako mutan. u čemu je kvaka? Ako je svjetlost val, onda je lako objasniti refleksiju u prozoru - vidimo slične efekte na vodi kada se val reflektira od prepreke. Ali ako je svjetlost tok čestica, onda se refleksija ne može tako lako objasniti. Na kraju krajeva, svi fotoni su isti. Međutim, ako su svi isti, onda bi barijera u obliku prozorskog stakla trebala imati isti učinak na njih. Ili svi prolaze kroz staklo, ili se svi reflektuju. I unutra surova realnost Neki od fotona prolete kroz staklo, a mi vidimo susednu kuću i odmah posmatramo svoj odraz.
I jedino objašnjenje koje mi pada na pamet: fotoni su sami po sebi. Nemoguće je sa stopostotnom vjerovatnoćom predvidjeti kako će se određeni foton ponašati – da li će se sudariti sa staklom kao čestica ili kao talas. To je osnova kvantne fizike – potpuno, apsolutno nasumično ponašanje materije na mikro nivou bez ikakvog razloga (a u našem svijetu velikih količina, iz iskustva znamo da sve ima razlog). Ovo je savršen generator slučajnih brojeva, za razliku od bacanja novčića.
Briljantni Ajnštajn, koji je otkrio foton, bio je do kraja života ubeđen da je kvantna fizika pogrešna i uveravao je sve da „Bog ne igra kockice“. Ali moderna nauka sve više potvrđuje: on i dalje igra.
Na ovaj ili onaj način, jednog dana naučnici su odlučili da stave tačku na debatu o „talasima ili česticama“ i reprodukuju Jungovo iskustvo uzimajući u obzir tehnologije 20. veka. Do tada su naučili da pucaju fotone jedan po jedan (kvantni generatori, poznati među populacijom kao “laseri”), pa je odlučeno da se provjeri šta bi se dogodilo na ekranu ako bi se jedna čestica ispalila na dva proreza: konačno će postati jasno šta je materija u kontrolisanim eksperimentalnim uslovima.
I odjednom - jedan kvant svjetlosti (foton) pokazao je interferencijski obrazac, to jest, čestica je proletjela kroz oba proreza u isto vrijeme, foton je interferirao sam sa sobom (ako kažemo naučni jezik). Hajde da razjasnimo tehničku stvar - u stvari, slika interferencije nije prikazana jednim fotonom, već nizom snimaka jedne čestice u intervalima od 10 sekundi - s vremenom su se Youngove rubove, poznate svakom studentu C od 1801. godine, pojavile na ekran.
Sa stanovišta vala, to je logično - val prolazi kroz pukotine, a sada se dva nova vala razilaze u koncentričnim krugovima, preklapajući se.
Ali s korpuskularne tačke gledišta, ispada da se foton nalazi na dva mjesta u isto vrijeme kada prolazi kroz proreze, a nakon prolaska kroz njega se miješa sam sa sobom. Ovo je generalno normalno, ha?
Ispostavilo se da je to normalno. Štaviše, budući da se foton nalazi u dva proreza odjednom, to znači da je istovremeno svuda i prije i nakon prolaska kroz njih. I općenito, sa stanovišta kvantne fizike, oslobođeni foton između starta i cilja je istovremeno „posvuda i odjednom“. Fizičari takvu česticu nazivaju superpozicijom "svuda odjednom" - strašna riječ, što je nekada bilo matematičko uživanje, sada je postalo fizička stvarnost.
Izvjesni E. Schrödinger, poznati protivnik kvantne fizike, do tada je negdje iskopao formulu koja opisuje valna svojstva materije, kao što je voda. I nakon što sam se malo petljao s tim, na svoj užas, zaključio sam takozvanu talasnu funkciju. Ova funkcija je pokazala vjerovatnoću pronalaženja fotona na određenoj lokaciji. Imajte na umu da je ovo vjerovatnoća, a ne tačna lokacija. A ova vjerovatnoća ovisila je o kvadratu visine vrha kvantnog talasa na datoj lokaciji (ako nekoga zanimaju detalji).
Pitanjem mjerenja lokacije čestica posvetit ćemo posebno poglavlje.
Dalja otkrića su pokazala da su stvari s dualizmom još gore i misterioznije.
Godine 1924. izvjesni Louis de Broglie je rekao da su talasno-korpuskularna svojstva svjetlosti vrh ledenog brega. I sve elementarne čestice imaju ovo neshvatljivo svojstvo.
Odnosno, čestica i talas istovremeno nisu samo čestice elektromagnetnog polja (fotoni), već i stvarne čestice kao što su elektroni, protoni itd. Sva materija oko nas na mikroskopskom nivou su talasi(i čestice u isto vrijeme).
A par godina kasnije, to je čak i eksperimentalno potvrđeno - Amerikanci su tjerali elektrone u katodne cijevi (koje su današnjim starim prducima poznati pod nazivom "kineskop") - i tako su zapažanja vezana za refleksiju elektrona potvrdila da je elektron je takođe talas (radi lakšeg razumevanja, možete reći da su postavili ploču sa dva proreza na putanju elektrona i videli interferenciju elektrona kakva jeste).
Do danas su eksperimenti otkrili da atomi imaju i valna svojstva, pa čak i neke posebne vrste molekula (tzv. “fulereni”) se manifestiraju kao valovi.
Radoznali um čitaoca, koji još nije bio zapanjen našom pričom, pitaće se: ako je materija talas, zašto se onda, na primer, leteća lopta ne razmazuje u svemiru u obliku talasa? Zašto mlazni avion nimalo ne podseća na talas, ali je veoma sličan mlaznom avionu?
De Broglie, đavo, je ovde sve objasnio: da, leteća lopta ili Boeing je takođe talas, ali dužina ovog talasa je kraća što je impuls veći. Moment je masa pomnožena brzina. To je, nego više mase materije, što je njena talasna dužina kraća. Talasna dužina lopte koja leti brzinom od 150 km/h bit će približno 0,00 metara. Stoga nismo u mogućnosti primijetiti kako se lopta širi prostorom kao talas. Za nas je to čvrsta materija.
Elektron je vrlo lagana čestica i, leti brzinom od 6000 km/sec, imat će primjetnu valnu dužinu od 0,0000000001 metara.
Usput, odgovorimo odmah na pitanje zašto atomsko jezgro nije tako "valovito". Iako se nalazi u središtu atoma, oko kojeg elektron ludo leti i istovremeno je razmazan, ima pristojan zamah povezan s masom protona i neutrona, kao i visokofrekventnu oscilaciju (brzinu) zbog na postojanje stalne razmene čestica unutar jezgra jaka interakcija (čitaj temu). Stoga je jezgro više kao čvrsta materija koja nam je poznata. Elektron je, po svemu sudeći, jedina čestica mase koja ima jasno izražena valna svojstva, pa je svi s oduševljenjem proučavaju.
Vratimo se našim česticama. Tako se ispostavilo: elektron koji rotira oko atoma je i čestica i talas. Odnosno, čestica se rotira, a u isto vrijeme elektron kao val predstavlja ljusku određenog oblika oko jezgre - kako to uopće može razumjeti ljudski mozak?
Već smo ranije izračunali da leteći elektron ima prilično ogromnu (za mikrokosmos) talasnu dužinu, a da bi stao oko jezgra atoma, takvom talasu je potrebna nepristojna količina prostora. To je upravo ono što objašnjava tako velike veličine atoma u poređenju sa jezgrom. Talasne dužine elektrona određuju veličinu atoma. Prazan prostor između jezgre i površine atoma ispunjen je „akomodacijom“ talasne dužine (i u isto vreme čestice) elektrona. Ovo je vrlo grubo i netačno objašnjenje – oprostite nam – u stvarnosti je sve mnogo komplikovanije, ali naš cilj je da barem omogućimo ljudima koje sve ovo zanima da odgrizu komadić granita nauke.
Da budemo jasni ponovo! Nakon nekoliko komentara na članak [u YP], shvatili smo koja važna stvar nedostaje ovom članku. Pažnja! Oblik materije koji opisujemo nije ni talas ni čestica. Samo (istovremeno) ima svojstva talasa i svojstva čestica. Ne možete to reći elektromagnetni talas ili elektronski talas slični su morskim ili zvučnim talasima. Talasi koji su nam poznati predstavljaju širenje poremećaja u prostoru ispunjenom nekom tvari.
Fotoni, elektroni i druge instance mikrokosmosa, kada se kreću u svemiru, mogu se opisati talasnim jednačinama; njihovo ponašanje je samo Slično talasu, ali ni u kom slučaju nisu talas. Slično je i sa korpuskularnom strukturom materije: ponašanje čestice je slično letu malih loptica, ali to nikada nisu kuglice.
Ovo se mora shvatiti i prihvatiti, inače će sve naše misli na kraju dovesti do traženja analoga u makrokosmosu, i time će se razumijevanju kvantne fizike doći kraj, a fritarizam ili šarlatanska filozofija će početi, kao što su kvantna magija i materijalnost misli.
Razmotrit ćemo preostale zastrašujuće zaključke i posljedice Jungovog moderniziranog eksperimenta kasnije u sljedećem dijelu - Heisenbergova neizvjesnost, Schrödingerova mačka, Paulijev princip isključenja i kvantna zapetljanost čekaju strpljivog i promišljenog čitatelja koji će više puta čitati naše članke i čeprkati. putem interneta u potrazi za dodatnim informacijama.
Hvala svima na pažnji. Srećna nesanica ili kognitivne noćne more svima!
NB: Revnosno vas podsjećamo da su sve slike preuzete sa Google-a (pretraga po slikama) - tu se utvrđuje autorstvo.
Nelegalno kopiranje teksta se goni, suzbija, pa, znate...
Dakle, mikročestice imaju izvanredna svojstva. Mikročestice – ovo su elementarne čestice(elektroni, protoni, neutroni, itd.), kao i složene čestice,formiran od malog broja elementarnih(Ćao nedjeljiv) čestice(atomi, molekuli, atomska jezgra). Nazivajući ove mikročestice česticama, naglašavamo samo jednu stranu; ispravnije bi bilo nazvati “ čestica-val».
Mikročestice nisu u stanju da direktno utiču na naša čula – ne mogu se videti ili dodirnuti. Znamo šta će se dogoditi sa velikim objektom; ali upravo tako mikročestice ne rade! Stoga se prilikom njihovog proučavanja mora pribjeći raznim vrstama apstrakcija. , proširite svoju maštu i ne pokušavajpovezati ih sa našim direktnim iskustvom.
U to kvantna fizika razumjeti znači formirati vizualnu sliku predmeta ili procesa. U kvantnoj fizici ne možete tako razmišljati. Svaki vizualni model će raditi po klasičnim zakonima, pa stoga nije pogodan za predstavljanje kvantnih procesa. Na primjer, rotacija elektrona u orbiti oko atoma je takav prikaz. Ovo je počast klasična fizika i ne odgovara pravom stanju stvari, ne odgovara kvantnim zakonima.
Talasi Louisa de Brogliea koje smo razmatrali nisu elektromagnetna, to su valovi posebne prirode.
Izračunajmo de Broljevu talasnu dužinu lopte mase 0,20 kg koja se kreće brzinom od 15 m/s.
| . | (3.3.1) |
Ovo je izuzetno kratka talasna dužina. Čak i pri ekstremno malim brzinama, recimo m/s, de Broljeva talasna dužina bi bila oko m. De Broljeva talasna dužina normalnog tela je premala da bi se detektovala i izmerila. Činjenica je da se tipična svojstva talasa - interferencija i difrakcija - pojavljuju samo kada su veličine objekata ili proreza uporedive po veličini sa talasnom dužinom. Ali mi ne poznajemo objekte i proreze na kojima bi se talasi talasne dužine λ mogli difraktirati, tako da se svojstva talasa običnih tela ne mogu detektovati.
Druga je stvar ako govorimo o elementarnim česticama kao što su elektroni. Jer masa je uključena u nazivnik formule 3.3.1, koja određuje de Broglieovu talasnu dužinu; veoma mala masa odgovara dugoj talasnoj dužini.
Odredimo de Broglieovu valnu dužinu elektrona ubrzanog potencijalnom razlikom od 100 V.
gospođa,
Iz gornjeg primjera može se vidjeti da elektron može odgovarati talasnoj dužini reda . Iako je veoma kratkim talasima, mogu se eksperimentalno otkriti: međuatomske udaljenosti u kristalu istog reda veličine () i pravilno raspoređeni atomi kristala mogu se koristiti kao difrakciona rešetka, kao u slučaju rendgenskih zraka. Dakle, ako je hipoteza Louisa de Brogliea tačna, onda, kao što je Ajnštajn istakao, za elektrona, treba posmatrati fenomen difrakcije.
Hajde da napravimo pauzu na trenutak i postavimo misaoni eksperiment. Usmjerimo paralelni snop monoenergetskih (tj. koji imaju istu kinetičku energiju) elektrona na prepreku sa dva uska proreza (slika 3.6) i postavimo fotografsku ploču (FP) iza prepreke.
| A | b | V |
Prvo zatvorite drugi prorez i izložite ga na određeno vrijeme t. Crnjenje na tretiranom FP će biti okarakterisano krivom 1, Sl. 3.6, b. Zatim zatvaramo prvi prorez i izlažemo drugu fotografsku ploču. Priroda zacrnjenja je u ovom slučaju prikazana krivom 2 (slika 3.6, b). Na kraju, otvorite oba proreza i izložite na određeno vrijeme t treća ploča. Obrazac zacrnjenja dobijen u potonjem slučaju prikazan je na Sl. 3.6, c. Ova slika nikako nije ekvivalentna situaciji prve dvije. Kako bi otvaranje drugog proreza moglo uticati na one elektrone koji izgledaju kao da su prošli kroz drugi prorez? Dobijena slika (slika 3.6, c) ispada da je slična slici dobijenoj interferencijom dva koherentna svetlosna talasa. Priroda slike ukazuje da na kretanje svakog elektrona utiču obe rupe. Ovaj zaključak je nespojiv s idejom putanja. Ako bi se elektron u svakom trenutku nalazio u određenoj tački u prostoru i kretao se duž putanje, prošao bi kroz određenu rupu – prvu ili drugu. Fenomen difrakcije dokazuje da su obje rupe - prva i druga - uključene u prolazak svakog elektrona.
dakle, difrakcija elektrona i drugih mikročestica dokazuje valjanost hipoteze Louisa de Brogliea i potvrđuje dualnost val-čestica mikročestica materije .
39. Talasno-čestična dualnost svojstava materije.
Čestica-talasni dualizam svojstava EM zračenja. To znači da se priroda svjetlosti može razmatrati s dvije strane: s jedne strane, to je val čija se svojstva manifestiraju u zakonima širenja svjetlosti, interferencije, difrakcije, polarizacije. S druge strane, svjetlost je tok čestica koje imaju energiju i zamah. Korpuskularna svojstva svjetlosti manifestiraju se u procesima interakcije svjetlosti sa materijom (fotoelektrični efekat, Comptonov efekat).
Analizom se može shvatiti da što je talasna dužina l duža, to je energija niža (od E = hs/l), što je manji impuls, to je teže detektovati kvantna svojstva svetlosti.
Što je manji l => veća energija E fotona, teže je detektovati valna svojstva svjetlosti.
Odnos između dvostrukih svojstava čestica i talasa svetlosti može se objasniti ako se koristi statistički pristup za razmatranje obrazaca distribucije svetlosti.
Na primjer, difrakcija svjetlosti na prorezu: kada svjetlost prođe kroz prorez, fotoni se redistribuiraju u prostoru. Budući da vjerovatnoća da foton udari u različite tačke na ekranu nije ista, pojavljuje se difrakcijski uzorak. Osvetljenje ekrana (broj fotona koji upadaju na njega) proporcionalno je verovatnoći da foton udari u ovu tačku. S druge strane, osvjetljenje ekrana je proporcionalno kvadratu amplitude talasa I~E2. Stoga je kvadrat amplitude svetlosnog talasa u datoj tački u prostoru mera verovatnoće da foton udari u tu tačku u prostoru.
44. Schrödingerova jednadžba za stacionarna stanja.
Jednadžba (217.5) nazvana Schrödingerova jednačina za stacionarna stanja. Ova jednačina uključuje ukupnu energiju kao parametar Ečestice. U teoriji diferencijalnih jednadžbi dokazano je da takve jednačine imaju beskonačan broj rješenja, od kojih se nametanjem graničnih uvjeta biraju rješenja koja imaju fizičko značenje. Za Schrödingerovu jednačinu takvi uvjeti su uvjeti pravilnosti valnih funkcija: valne funkcije moraju biti konačne, jednovrijedne i kontinuirane zajedno sa svojim prvim derivatima. Dakle, samo ona rješenja koja su izražena regularnim funkcijama imaju stvarno fizičko značenje Ali regularna rješenja se ne odvijaju ni za jednu vrijednost parametra E, a samo za određeni skup njih, karakterističan za dati zadatak. Ove energetske vrijednosti se nazivaju vlastiti. Rešenja koja odgovaraju vlastiti energetske vrijednosti se nazivaju vlastite funkcije. Svojstvene vrijednosti E može formirati kontinuirani ili diskretni niz. U prvom slučaju govorimo o kontinuirano, ili kontinuirani spektar u drugom - o diskretnom spektru.
40. De Broljevi talasi i njihova svojstva.
De Broglie je tvrdio da ne samo fotoni, već i elektroni i sve druge čestice materije, uz korpuskularne, također imaju valna svojstva. Dakle, prema de Broglieu, s svaki mikroobjekat povezani su, s jedne strane, korpuskularno karakteristike - energija E i zamah R, a sa druge - karakteristike talasa- frekvencija v i talasna dužina TO. Kvantitativni odnosi koji povezuju korpuskularna i valna svojstva čestica su isti kao i za fotone: E= hv, str= h/ . (213.1) Smjelost de Broglieove hipoteze leži upravo u činjenici da je relacija (213.1) postavljena ne samo za fotone, već i za druge mikročestice, posebno za one koje imaju masu mirovanja. Dakle, svaka čestica sa impulsom povezana je s valnim procesom s određenom talasnom dužinom prema de Broglieovoj formuli: = h/ str. (213.2) Ova relacija vrijedi za svaku česticu sa impulsom R. Ubrzo je de Broglieova hipoteza eksperimentalno potvrđena. (K. Davisson, L. Germer) otkrio je da snop elektrona raspršenih iz prirodne difrakcijske rešetke - kristala nikla - daje jasan difrakcijski uzorak. Difrakcioni maksimumi su odgovarali Wulff-Braggovoj formuli (182.1), a ispostavilo se da je Braggova talasna dužina tačno jednaka talasnoj dužini izračunatoj pomoću formule (213.2). Nakon toga, de Broglieova formula je potvrđena eksperimentima P. S. Tartakovskog i G. Thomsona, koji su promatrali difrakcijski obrazac kada je snop brzih elektrona (energija 50 keV) prošao kroz metalnu foliju (debljine 1 μm). Budući da je difrakcioni uzorak proučavan za tok elektrona, bilo je potrebno dokazati da su valna svojstva svojstvena ne samo protoku velike zbirke elektrona, već i svakom elektronu pojedinačno. Ovo je eksperimentalno potvrđeno 1948. sovjetski fizičar V. A. Fabrikant (r. 1907). On je pokazao da čak i u slučaju tako slabog elektronskog snopa, kada svaki elektron prođe kroz uređaj nezavisno od drugih (vremenski interval između dva elektrona je 10 4 puta duži od vremena koje je potrebno elektronu da prođe kroz uređaj) , uzorak difrakcije koji nastaje tokom dugog izlaganja ne razlikuje se od difrakcionih uzoraka dobijenih kratkim izlaganjem tokovima elektrona koji su desetine miliona puta intenzivniji. Shodno tome, valna svojstva čestica nisu svojstvo njihovog kolektiva, već su inherentna svakoj čestici pojedinačno. Nakon toga, otkriveni su i fenomeni difrakcije za neutrone, protone, atomske i molekularne zrake. Eksperimentalni dokaz prisutnosti valnih svojstava mikročestica doveo je do zaključka da je pred nama univerzalni fenomen, opće svojstvo materije. Ali tada svojstva talasa takođe moraju biti svojstvena makroskopskim telima. Zašto nisu eksperimentalno otkriveni? Na primjer, čestica mase 1 g koja se kreće brzinom od 1 m/s odgovara de Broljevom talasu sa =6,62 10 -31 m. Ova talasna dužina leži izvan područja dostupnog posmatranju (periodične strukture sa periodom d10 -31 m ne postoji). Stoga se smatra da makroskopska tijela ispoljavaju samo jednu stranu svojih svojstava – korpuskularnu – a ne vlasnu. Ideja o dvostrukoj čestično-valnoj prirodi čestica materije dodatno je produbljena činjenicom da se veza između ukupne energije čestice prenosi na čestice materije. G i frekvencija v de Broglieovih talasa: e=hv. (213.3) Ovo ukazuje da odnos između energije i frekvencije u formuli (213.3) ima karakter univerzalni omjer, važi i za fotone i za sve druge mikročestice. Valjanost relacije (213.3) proizlazi iz slaganja sa iskustvom onih teorijskih rezultata koji su dobijeni uz njenu pomoć u kvantnoj mehanici, atomskoj i nuklearnoj fizici. De Broglieova eksperimentalno potvrđena hipoteza o valno-čestičnom dualitetu svojstava materije radikalno je promijenila ideju o svojstvima mikro-objekata. Svi mikroobjekti imaju i korpuskularna i valna svojstva; istovremeno, nijedna od mikročestica se ne može smatrati ni česticom ni talasom u klasičnom smislu. Moderno tumačenje dualnosti talas-čestica može se izraziti rečima sovjetskog teoretskog fizičara V. A. Foka (1898-1974): „Možemo reći da za atomski objekat postoji potencijalna mogućnost da se manifestuje, u zavisnosti od spoljašnjih uslova, bilo kao talas ili kao čestica, ili na srednji način. U ovome je potencijalna prilika razne manifestacije svojstava svojstvenih mikroobjektu čine dualizam talas-čestica. Svako drugo, bukvalnije, razumijevanje ovog dualizma u obliku nekakvog modela je netačno.”
