Τα τελευταία εκατό χρόνια, η επιστήμη έχει κάνει μεγάλα βήματα στη μελέτη της δομής του κόσμου μας τόσο σε μικροσκοπικό όσο και σε μακροσκοπικό επίπεδο. Οι εκπληκτικές ανακαλύψεις που μας φέρνουν οι ειδικές και γενικές θεωρίες της σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής εξακολουθούν να ενθουσιάζουν το μυαλό του κοινού. Ωστόσο, οποιοσδήποτε μορφωμένο άτομοείναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τουλάχιστον τα βασικά των σύγχρονων επιστημονικών επιτευγμάτων. Ένα από τα πιο εντυπωσιακά και σημαντικά σημεία είναι η σωματιδιακή κυματικός δυισμός. Πρόκειται για μια παράδοξη ανακάλυψη, η κατανόηση της οποίας είναι πέρα από την εμβέλεια της διαισθητικής καθημερινής αντίληψης.
Σώματα και κύματα
Ο δυϊσμός ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στη μελέτη του φωτός, το οποίο συμπεριφέρθηκε εντελώς διαφορετικά ανάλογα με τις συνθήκες. Από τη μία πλευρά, αποδείχθηκε ότι το φως είναι ένα οπτικό ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Από την άλλη πλευρά, ένα διακριτό σωματίδιο ( χημική ενέργειαΣβέτα). Αρχικά, οι επιστήμονες πίστευαν ότι αυτές οι δύο ιδέες ήταν αμοιβαία αποκλειόμενες. Ωστόσο, πολλά πειράματα έχουν δείξει ότι αυτό δεν συμβαίνει. Σταδιακά, η πραγματικότητα μιας τέτοιας έννοιας όπως η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου έγινε συνηθισμένη. Αυτή η ιδέα παρέχει τη βάση για τη μελέτη της συμπεριφοράς πολύπλοκων κβαντικών αντικειμένων που δεν είναι ούτε κύματα ούτε σωματίδια, αλλά αποκτούν μόνο τις ιδιότητες του δεύτερου ή του πρώτου ανάλογα με ορισμένες συνθήκες.
Πείραμα διπλής σχισμής
Περίθλαση φωτονίων - οπτική επίδειξηδυαδική υπόσταση. Ο ανιχνευτής φορτισμένων σωματιδίων είναι μια φωτογραφική πλάκα ή μια φθορίζουσα οθόνη. Κάθε μεμονωμένο φωτόνιο σημαδεύτηκε με φωτισμό ή λάμψη κηλίδων. Ο συνδυασμός τέτοιων σημαδιών έδωσε ένα μοτίβο παρεμβολής - εναλλαγή ασθενώς και έντονα φωτιζόμενων λωρίδων, το οποίο είναι χαρακτηριστικό της περίθλασης κυμάτων. Αυτό εξηγείται από μια τέτοια έννοια όπως η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Διάσημος φυσικός και Ο βραβευμένος με ΝόμπελΟ Richard Feynman είπε ότι η ύλη συμπεριφέρεται σε μικρές κλίμακες με τέτοιο τρόπο που είναι αδύνατο να αισθανθεί κανείς τη «φυσικότητα» της κβαντικής συμπεριφοράς.
Καθολικός δυϊσμός
Ωστόσο, αυτή η εμπειρία δεν ισχύει μόνο για τα φωτόνια. Αποδείχθηκε ότι ο δυϊσμός είναι ιδιότητα όλης της ύλης και είναι καθολικός. Ο Heisenberg υποστήριξε ότι η ύλη υπάρχει και στις δύο μορφές εναλλάξ. Σήμερα έχει αποδειχθεί απολύτως ότι και οι δύο ιδιότητες εμφανίζονται εντελώς ταυτόχρονα.
Σωματικό κύμα
Πώς μπορούμε να εξηγήσουμε αυτή τη συμπεριφορά της ύλης; Το κύμα που είναι εγγενές στα σωματίδια (σωματίδια) ονομάζεται κύμα de Broglie, που πήρε το όνομά του από τον νεαρό αριστοκράτη επιστήμονα που πρότεινε μια λύση σε αυτό το πρόβλημα. Είναι γενικά αποδεκτό ότι οι εξισώσεις του de Broglie περιγράφουν μια κυματική συνάρτηση, η οποία, στο τετράγωνο, καθορίζει μόνο την πιθανότητα ότι το σωματίδιο βρίσκεται σε διαφορετική ώρασε διαφορετικά σημεία του χώρου. Με απλά λόγια, το κύμα de Broglie είναι μια πιθανότητα. Έτσι, καθιερώθηκε η ισότητα μεταξύ της μαθηματικής έννοιας (πιθανότητα) και της πραγματικής διαδικασίας.
Κβαντικό πεδίο
Τι είναι τα σώματα ύλης; Σε γενικές γραμμές, αυτά είναι κβάντα κυματικών πεδίων. Φωτόνιο - κβαντικό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ποζιτρόνιο και ηλεκτρόνιο - ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο, μεσόνιο - κβάντο πεδίου μεσονίου, και ούτω καθεξής. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κυματικών πεδίων εξηγείται από την ανταλλαγή ορισμένων ενδιάμεσων σωματιδίων μεταξύ τους, για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης υπάρχει ανταλλαγή φωτονίων. Από αυτό προκύπτει άμεσα μια άλλη επιβεβαίωση ότι οι κυματικές διεργασίες που περιγράφει ο de Broglie είναι απολύτως πραγματικές φυσικά φαινόμενα. Και ο δυϊσμός σωματιδίων-κύματος δεν λειτουργεί ως μια «μυστηριώδης κρυφή ιδιότητα» που χαρακτηρίζει την ικανότητα των σωματιδίων να «μετενσαρκώνονται». Δείχνει ξεκάθαρα δύο αλληλένδετες ενέργειες - την κίνηση ενός αντικειμένου και την κυματική διαδικασία που σχετίζεται με αυτό.
Εφέ σήραγγας
Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου του φωτός συνδέεται με πολλά άλλα ενδιαφέροντα φαινόμενα. Η κατεύθυνση δράσης του κύματος de Broglie εμφανίζεται κατά το λεγόμενο φαινόμενο της σήραγγας, δηλαδή όταν τα φωτόνια διεισδύουν μέσα από το ενεργειακό φράγμα. Αυτό το φαινόμενο προκαλείται από την ορμή των σωματιδίων που υπερβαίνει τη μέση τιμή τη στιγμή του αντικόμβου του κύματος. Η κατασκευή σήραγγας κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη πολλών ηλεκτρονικών συσκευών.
Παρεμβολή φωτεινών κβαντών
Η σύγχρονη επιστήμη μιλά για την παρεμβολή των φωτονίων με τον ίδιο μυστηριώδη τρόπο όπως και για την παρεμβολή ηλεκτρονίων. Αποδεικνύεται ότι ένα φωτόνιο, το οποίο είναι ένα αδιαίρετο σωματίδιο, μπορεί ταυτόχρονα να περάσει από οποιοδήποτε μονοπάτι ανοιχτό στον εαυτό του και να παρέμβει στον εαυτό του. Αν λάβουμε υπόψη ότι η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου των ιδιοτήτων της ύλης και του φωτονίου είναι ένα κύμα που καλύπτει πολλά δομικά στοιχεία, τότε δεν αποκλείεται η διαιρετότητά του. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με προηγούμενες απόψεις για το σωματίδιο ως στοιχειώδη αδιαίρετο σχηματισμό. Διαθέτοντας μια ορισμένη μάζα κίνησης, το φωτόνιο σχηματίζει ένα διαμήκη κύμα που σχετίζεται με αυτή την κίνηση, το οποίο προηγείται του ίδιου του σωματιδίου, καθώς η ταχύτητα του διαμήκους κύματος είναι μεγαλύτερη από αυτή του εγκάρσιου ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Επομένως, υπάρχουν δύο εξηγήσεις για την παρεμβολή ενός φωτονίου στον εαυτό του: το σωματίδιο χωρίζεται σε δύο συστατικά, τα οποία παρεμβάλλονται μεταξύ τους. Το κύμα φωτονίων ταξιδεύει κατά μήκος δύο μονοπατιών και σχηματίζει ένα μοτίβο παρεμβολής. Ανακαλύφθηκε πειραματικά ότι δημιουργείται επίσης ένα μοτίβο παρεμβολής όταν τα μεμονωμένα φορτισμένα σωματίδια-φωτόνια περνούν με τη σειρά τους μέσω του συμβολόμετρου. Αυτό επιβεβαιώνει τη θέση ότι κάθε μεμονωμένο φωτόνιο παρεμβαίνει στον εαυτό του. Αυτό φαίνεται ιδιαίτερα καθαρά όταν λαμβάνεται υπόψη το γεγονός ότι το φως (ούτε συνεκτικό ούτε μονοχρωματικό) είναι μια συλλογή φωτονίων που εκπέμπονται από άτομα σε διασυνδεδεμένες και τυχαίες διεργασίες.
Τι είναι το φως;
Ένα φωτεινό κύμα είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό μη εντοπισμένο πεδίο που κατανέμεται σε όλο το διάστημα. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ενός κύματος έχει ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα ανάλογη με το τετράγωνο του πλάτους. Αυτό σημαίνει ότι η ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να αλλάξει κατά οποιοδήποτε ποσό, δηλαδή είναι συνεχής. Από τη μία πλευρά, το φως είναι ένα ρεύμα από κβάντα και φωτόνια (σωματίδια), τα οποία, χάρη στην καθολικότητα ενός τέτοιου φαινομένου όπως η δυαδικότητα σωματιδίων-κύματος, αντιπροσωπεύουν τις ιδιότητες ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Για παράδειγμα, στα φαινόμενα παρεμβολής και περίθλασης και κλίμακες, το φως εμφανίζει ξεκάθαρα τα χαρακτηριστικά ενός κύματος. Για παράδειγμα, ένα μόνο φωτόνιο, όπως περιγράφηκε παραπάνω, που διέρχεται από μια διπλή σχισμή δημιουργεί ένα μοτίβο παρεμβολής. Με τη βοήθεια πειραμάτων, αποδείχθηκε ότι ένα μόνο φωτόνιο δεν είναι ηλεκτρομαγνητικός παλμός. Δεν μπορεί να χωριστεί σε δοκούς με διαχωριστές δέσμης, όπως έδειξαν οι Γάλλοι φυσικοί Aspe, Roger και Grangier.
Το φως έχει επίσης σωματικές ιδιότητες, οι οποίες εκδηλώνονται στο φαινόμενο Compton και στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ένα φωτόνιο μπορεί να συμπεριφέρεται σαν ένα σωματίδιο που απορροφάται εξ ολοκλήρου από αντικείμενα των οποίων οι διαστάσεις είναι πολύ μικρότερες από το μήκος κύματός του (για παράδειγμα, ένας ατομικός πυρήνας). Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα φωτόνια μπορούν γενικά να θεωρηθούν σημειακά αντικείμενα. Δεν έχει καμία διαφορά από το ποια θέση θεωρούμε τις ιδιότητες του φωτός. Στο πεδίο της έγχρωμης όρασης, ένα ρεύμα φωτός μπορεί να λειτουργήσει τόσο ως κύμα όσο και ως σωματίδιο-φωτόνιο ως ενεργειακό κβάντο. Ένα σημείο εστιασμένο σε έναν φωτοϋποδοχέα αμφιβληστροειδούς, όπως η μεμβράνη του κώνου, μπορεί να επιτρέψει στο μάτι να σχηματίσει τη δική του φιλτραρισμένη τιμή ως τις κύριες φασματικές ακτίνες φωτός και να τις ταξινομήσει σε μήκη κύματος. Σύμφωνα με τις τιμές της κβαντικής ενέργειας, στον εγκέφαλο το σημείο του αντικειμένου θα μεταφραστεί σε μια αίσθηση χρώματος (εστιασμένη οπτική εικόνα).
Η δυαδικότητα του φωτός κύματος-σωματιδίου σημαίνει ότι το φως έχει ταυτόχρονα τις ιδιότητες των συνεχών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και τις ιδιότητες των διακριτών φωτονίων. Αυτό το θεμελιώδες συμπέρασμα έγινε από φυσικούς τον 20ο αιώνα και ακολουθήθηκε από προηγούμενες ιδέες για το φως. Ο Νεύτωνας πίστευε ότι το φως ήταν ένα ρεύμα σωματιδίων, δηλαδή ένα ρεύμα σωματιδίων ύλης που πετούσαν σε ευθεία γραμμή. Αυτή η θεωρία εξήγησε καλά την ευθύγραμμη διάδοση του φωτός. Αλλά προέκυψαν δυσκολίες στην εξήγηση των νόμων της ανάκλασης και της διάθλασης, και τα φαινόμενα της περίθλασης και της παρεμβολής δεν μπορούσαν να εξηγηθούν καθόλου από τη σωματιδιακή θεωρία. Ως εκ τούτου, προέκυψε η κυματική θεωρία του φωτός. Αυτή η θεωρία εξηγούσε την περίθλαση και την παρεμβολή, αλλά είχε δυσκολία να εξηγήσει το ευθύ φως. Μόνο τον 19ο αιώνα, ο J. Fresnel, χρησιμοποιώντας τις ανακαλύψεις άλλων φυσικών, μπόρεσε να συνδυάσει τις ήδη προερχόμενες αρχές σε μια θεωρία, σύμφωνα με την οποία το φως είναι ένα εγκάρσιο μηχανικό κύμα. Ο Maxwell ανακάλυψε αργότερα ότι το φως είναι ένας από τους τύπους ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αλλά στις αρχές του 20ου αιώνα, χάρη στις ανακαλύψεις του Αϊνστάιν, οι ιδέες για το φως άλλαξαν ξανά. Το φως έγινε κατανοητό ως ρεύμα φωτονίων. Αλλά ορισμένες ιδιότητες του φωτός εξηγήθηκαν τέλεια από τη θεωρία των κυμάτων. Το φως έχει τόσο σωματικές όσο και κυματικές ιδιότητες. Σε αυτήν την περίπτωση, υπάρχουν τα ακόλουθα μοτίβα: όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο πιο φωτεινές είναι οι εκδηλώσεις σωματικές ιδιότητες, όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος, τόσο πιο φωτεινές εμφανίζονται οι ιδιότητες του κύματος.
Σύμφωνα με τον de Broglie, κάθε μικροαντικείμενο συνδέεται, αφενός, με σωματικά χαρακτηριστικά - ενέργεια E και ορμή p, και από την άλλη με χαρακτηριστικά κύματος - συχνότητα και μήκος κύματος.
Το 1924, ο Γάλλος φυσικός L. de Broglie διατύπωσε μια τολμηρή υπόθεση: η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου έχει καθολικό χαρακτήρα, δηλ. Όλα τα σωματίδια που έχουν πεπερασμένη ορμή P έχουν κυματικές ιδιότητες. Έτσι εμφανίστηκε στη φυσική διάσημη φόρμουλα de Broglie όπου m είναι η μάζα του σωματιδίου, V η ταχύτητά του, h η σταθερά του Planck.
Ετσι, Οι σωματικές και κυματικές ιδιότητες ενός μικροαντικειμένου είναι ασύμβατες ως προς την ταυτόχρονη εκδήλωσή τους, ωστόσο, είναι εξίσουχαρακτηρίζουν το αντικείμενο, δηλ. αλληλοσυμπληρώνονται. Αυτή η ιδέα εκφράστηκε από τον N. Bohr και αποτέλεσε τη βάση της πιο σημαντικής μεθοδολογικής αρχής της σύγχρονης επιστήμης, η οποία καλύπτει επί του παρόντος όχι μόνο τις φυσικές επιστήμες, αλλά και όλες τις φυσικές επιστήμες - αρχή της συμπληρωματικότητας (1927). Η ουσίαΗ αρχή της συμπληρωματικότητας σύμφωνα με τον N. Bohr καταλήγει στα εξής: ανεξάρτητα από το πόσο μακριά τα φαινόμενα υπερβαίνουν την κλασική φυσική εξήγηση, όλα τα πειραματικά δεδομένα πρέπει να περιγράφονται χρησιμοποιώντας κλασικές έννοιες.Για πλήρης περιγραφήκβαντομηχανικά φαινόμενα, είναι απαραίτητο να εφαρμοστούν δύο αμοιβαία αποκλειόμενα (πρόσθετα) σύνολα κλασικών εννοιών, ο συνδυασμός των οποίων δίνει τα περισσότερα πλήρεις πληροφορίεςσχετικά με αυτά τα φαινόμενα ως ολιστικά.
Η αρχή της συμπληρωματικότητας γενική αρχήΗ γνώση μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: κάθε αληθινό φαινόμενο της φύσης δεν μπορεί να οριστεί μονοσήμαντα χρησιμοποιώντας τις λέξεις της γλώσσας μας και απαιτεί για τον ορισμό του τουλάχιστον δύο αμοιβαία αποκλειόμενες πρόσθετες έννοιες. Τέτοια φαινόμενα περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, τα κβαντικά φαινόμενα, τη ζωή, την ψυχή κ.λπ. Ο Bohr, ειδικότερα, είδε την ανάγκη να εφαρμόσει την αρχή της συμπληρωματικότητας στη βιολογία, η οποία οφείλεται εξαιρετικά πολύπλοκη δομήκαι τις λειτουργίες των ζωντανών οργανισμών, που τους παρέχουν σχεδόν ανεξάντλητες κρυφές δυνατότητες.
Αν νομίζατε ότι είχαμε βυθιστεί στη λήθη με τα συγκλονιστικά μας θέματα, τότε σπεύδουμε να σας απογοητεύσουμε και να σας κάνουμε χαρούμενους: κάνατε λάθος! Στην πραγματικότητα, όλο αυτό το διάστημα προσπαθούσαμε να βρούμε μια αποδεκτή μέθοδο παρουσίασης τρελών θεμάτων που σχετίζονται με κβαντικά παράδοξα. Γράψαμε πολλά προσχέδια, αλλά όλα πετάχτηκαν στο κρύο. Γιατί όταν πρόκειται να εξηγήσουμε τα κβαντικά ανέκδοτα, εμείς οι ίδιοι μπερδευόμαστε και παραδεχόμαστε ότι δεν καταλαβαίνουμε πολλά (και γενικά, λίγοι άνθρωποι καταλαβαίνουν αυτό το θέμα, συμπεριλαμβανομένων των καλών επιστημόνων του κόσμου). Αλίμονο, ο κβαντικός κόσμος είναι τόσο ξένος στη φιλισταϊκή κοσμοθεωρία που δεν είναι καθόλου κρίμα να παραδεχτείς την παρεξήγηση σου και να προσπαθήσεις λίγο μαζί να καταλάβουμε τουλάχιστον τα βασικά.
Και παρόλο που, ως συνήθως, θα προσπαθήσουμε να μιλήσουμε όσο πιο καθαρά γίνεται με εικόνες από την Google, ο άπειρος αναγνώστης θα χρειαστεί κάποια αρχική προετοιμασία, γι' αυτό σας συνιστούμε να διαβάσετε τα προηγούμενα θέματα μας, ειδικά για τα κβάντα και την ύλη.
Ειδικά για ουμανιστές και άλλους ενδιαφερόμενους - κβαντικά παράδοξα. Μέρος 1.
Σε αυτό το θέμα θα μιλήσουμε για τον πιο συνηθισμένο γρίφο κβαντικό κόσμο- δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Όταν λέμε «το πιο συνηθισμένο», εννοούμε ότι οι φυσικοί το έχουν κουραστεί τόσο πολύ που δεν φαίνεται καν σαν μυστήριο. Αλλά αυτό συμβαίνει επειδή άλλα κβαντικά παράδοξα είναι ακόμη πιο δύσκολο να τα αποδεχτεί ο μέσος νους.
Και ήταν έτσι. Στις παλιές καλές εποχές, κάπου στα μέσα του 17ου αιώνα, ο Νεύτων και ο Χάιγκενς διαφώνησαν σχετικά με την ύπαρξη του φωτός: ο Νεύτων δήλωσε ξεδιάντροπα ότι το φως είναι ένα ρεύμα σωματιδίων και ο παλιός Χάιγκενς προσπάθησε να αποδείξει ότι το φως είναι κύμα. Αλλά ο Νεύτωνας ήταν πιο έγκυρος, έτσι η δήλωσή του για τη φύση του φωτός έγινε αποδεκτή ως αληθινή και ο Χάιγκενς γελάστηκε. Και για διακόσια χρόνια το φως θεωρούνταν ένα ρεύμα από κάποια άγνωστα σωματίδια, τη φύση των οποίων ήλπιζαν να ανακαλύψουν μια μέρα.
Στις αρχές του 19ου αιώνα, ένας ανατολίτης ονόματι Thomas Young ασχολήθηκε με οπτικά όργανα - ως αποτέλεσμα, πήρε και πραγματοποίησε ένα πείραμα που τώρα ονομάζεται πείραμα του Young και κάθε φυσικός θεωρεί αυτό το πείραμα ιερό.
Ο Thomas Young απλώς κατεύθυνε μια δέσμη (του ίδιου χρώματος, έτσι ώστε η συχνότητα ήταν περίπου η ίδια) φωτός μέσα από δύο σχισμές στην πλάκα, και τοποθέτησε μια άλλη πλάκα οθόνης πίσω της. Και έδειξε το αποτέλεσμα στους συναδέλφους του. Αν το φως ήταν ένα ρεύμα σωματιδίων, τότε θα βλέπαμε δύο φωτεινές λωρίδες στο βάθος.
Αλλά δυστυχώς επιστημονικό κόσμο, μια σειρά από σκούρες και ανοιχτόχρωμες λωρίδες εμφανίστηκαν στην οθόνη της πλάκας. Ένα κοινό φαινόμενο που ονομάζεται παρεμβολή είναι η υπέρθεση δύο (ή περισσότερων κυμάτων) το ένα πάνω στο άλλο.
Παρεμπιπτόντως, χάρη στις παρεμβολές παρατηρούμε τις αποχρώσεις του ουράνιου τόξου σε έναν λεκέ από λάδι ή σε μια σαπουνόφουσκα.
Με άλλα λόγια, ο Thomas Young απέδειξε πειραματικά ότι το φως είναι κύματα. Επιστημονικός κόσμοςγια πολύ καιρό δεν ήθελε να πιστέψει τον Γιουνγκ, και κάποια στιγμή επικρίθηκε τόσο πολύ που εγκατέλειψε ακόμη και τις ιδέες του κυματική θεωρία. Αλλά η εμπιστοσύνη για την ορθότητά τους κέρδισε ακόμα και οι επιστήμονες άρχισαν να θεωρούν το φως ως κύμα. Αλήθεια, ένα κύμα τι - ήταν ένα μυστήριο.
Εδώ, στην εικόνα, είναι το παλιό καλό πείραμα του Γιουνγκ.
Πρέπει να ειπωθεί ότι η κυματική φύση του φωτός δεν επηρέασε πολύ την κλασική φυσική. Οι επιστήμονες ξαναέγραψαν τους τύπους και άρχισαν να πιστεύουν ότι σύντομα ολόκληρος ο κόσμος θα έπεφτε στα πόδια τους κάτω από μια ενιαία παγκόσμια φόρμουλα για τα πάντα.
Αλλά ήδη μαντέψατε ότι ο Αϊνστάιν, όπως πάντα, κατέστρεψε τα πάντα. Το πρόβλημα ξεπήδησε από την άλλη πλευρά - στην αρχή οι επιστήμονες μπερδεύτηκαν στον υπολογισμό της ενέργειας των θερμικών κυμάτων και ανακάλυψαν την έννοια των κβαντών (φροντίστε να διαβάσετε για αυτό στο αντίστοιχο θέμα μας ""). Και μετά, με τη βοήθεια αυτών των ίδιων κβαντών, ο Αϊνστάιν χτύπησε τη φυσική, εξηγώντας το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.
Εν συντομία: το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (μία από τις συνέπειες του οποίου είναι η έκθεση στο φιλμ) είναι η εκτόξευση ηλεκτρονίων από την επιφάνεια ορισμένων υλικών από το φως. Τεχνικά, αυτό το νοκ άουτ συμβαίνει σαν να ήταν το φως ένα σωματίδιο. Ο Αϊνστάιν ονόμασε ένα σωματίδιο φωτός κβάντο φωτός και αργότερα του δόθηκε το όνομα - φωτόνιο.
Το 1920 προστέθηκε η αντικυματική θεωρία του φωτός εκπληκτικό αποτέλεσμα Compton: όταν ένα ηλεκτρόνιο βομβαρδίζεται με φωτόνια, το φωτόνιο αναπηδά από το ηλεκτρόνιο με απώλεια ενέργειας («πυροβολούμε» με μπλε χρώμα, αλλά το κόκκινο πετάει μακριά), όπως μια μπάλα του μπιλιάρδου από ένα άλλο. Ο Compton κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για αυτό.
Αυτή τη φορά, οι φυσικοί ήταν επιφυλακτικοί να εγκαταλείψουν απλώς την κυματική φύση του φωτός, αλλά αντίθετα το σκέφτηκαν σκληρά. Η επιστήμη βρίσκεται αντιμέτωπη με ένα τρομακτικό μυστήριο: το φως είναι κύμα ή σωματίδιο;
Το φως, όπως κάθε κύμα, έχει μια συχνότητα - και αυτό είναι εύκολο να ελεγχθεί. Βλέπουμε διαφορετικά χρώματα γιατί κάθε χρώμα είναι απλώς μια διαφορετική συχνότητα ενός ηλεκτρομαγνητικού (φωτός) κύματος: το κόκκινο είναι χαμηλή συχνότητα, το μωβ είναι μια υψηλή συχνότητα.
Αλλά είναι εκπληκτικό: το μήκος κύματος του ορατού φωτός είναι πέντε χιλιάδες φορές το μέγεθος ενός ατόμου - πώς ταιριάζει ένα τέτοιο «πράγμα» σε ένα άτομο όταν το άτομο απορροφά αυτό το κύμα; Αν μόνο το φωτόνιο είναι ένα σωματίδιο συγκρίσιμο σε μέγεθος με ένα άτομο. Είναι ένα φωτόνιο και μεγάλο και μικρό ταυτόχρονα;
Επιπλέον, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και το φαινόμενο Compton αποδεικνύουν ξεκάθαρα ότι το φως εξακολουθεί να είναι ένα ρεύμα σωματιδίων: δεν μπορεί να εξηγηθεί πώς ένα κύμα μεταφέρει ενέργεια σε ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο διάστημα - αν το φως ήταν κύμα, τότε μερικά ηλεκτρόνια θα εξαφανίζονταν αργότερα από άλλα, και το φαινόμενο Δεν θα παρατηρούσαμε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Αλλά στην περίπτωση μιας ροής, ένα μόνο φωτόνιο συγκρούεται με ένα μόνο ηλεκτρόνιο και, υπό ορισμένες συνθήκες, το χτυπά έξω από το άτομο.
Ως αποτέλεσμα, αποφασίστηκε: το φως είναι και κύμα και σωματίδιο. Ή μάλλον, ούτε το ένα ούτε το άλλο, αλλά μια νέα προηγουμένως άγνωστη μορφή ύπαρξης της ύλης: τα φαινόμενα που παρατηρούμε είναι απλώς προβολές ή σκιές της πραγματικής κατάστασης των πραγμάτων, ανάλογα με το πώς βλέπετε τι συμβαίνει. Όταν κοιτάμε τη σκιά ενός κυλίνδρου που φωτίζεται από τη μία πλευρά, βλέπουμε έναν κύκλο και όταν φωτίζεται από την άλλη πλευρά, βλέπουμε μια ορθογώνια σκιά. Έτσι συμβαίνει με την αναπαράσταση σωματιδίου-κύματος του φωτός.
Αλλά και εδώ δεν είναι όλα εύκολα. Δεν μπορούμε να πούμε ότι θεωρούμε ότι το φως είναι είτε κύμα είτε ρεύμα σωματιδίων. Κοιτα εξω απο το παραθυρο. Ξαφνικά, ακόμα και σε καθαρά πλυμένο γυαλί, βλέπουμε τη δική μας αντανάκλαση, αν και θολή. Ποιά είναι η παγίδα? Εάν το φως είναι κύμα, τότε είναι εύκολο να εξηγήσουμε την ανάκλαση σε ένα παράθυρο - βλέπουμε παρόμοια αποτελέσματα στο νερό όταν ένα κύμα ανακλάται από ένα εμπόδιο. Αλλά αν το φως είναι ένα ρεύμα σωματιδίων, τότε η ανάκλαση δεν μπορεί να εξηγηθεί τόσο εύκολα. Άλλωστε όλα τα φωτόνια είναι ίδια. Ωστόσο, εάν είναι όλα τα ίδια, τότε το φράγμα με τη μορφή γυαλιού παραθύρου θα πρέπει να έχει την ίδια επίδραση σε αυτά. Είτε περνούν όλα από το γυαλί, είτε αντανακλώνται όλα. Και στο σκληρή πραγματικότηταΜερικά από τα φωτόνια πετούν μέσα από το γυαλί, και βλέπουμε το γειτονικό σπίτι και παρατηρούμε αμέσως την αντανάκλασή μας.
Και η μόνη εξήγηση που μου έρχεται στο μυαλό: τα φωτόνια είναι μόνα τους. Είναι αδύνατο να προβλέψουμε με εκατό τοις εκατό πιθανότητα πώς θα συμπεριφερθεί ένα συγκεκριμένο φωτόνιο - εάν θα συγκρουστεί με το γυαλί ως σωματίδιο ή ως κύμα. Αυτή είναι η βάση της κβαντικής φυσικής - εντελώς, απολύτως τυχαία συμπεριφορά της ύλης σε μικροεπίπεδο χωρίς κανένα λόγο (και στον κόσμο των μεγάλων ποσοτήτων μας, γνωρίζουμε από την εμπειρία ότι όλα έχουν λόγο). Αυτή είναι μια τέλεια γεννήτρια τυχαίων αριθμών, σε αντίθεση με μια ρίψη νομίσματος.
Ο λαμπρός Αϊνστάιν, που ανακάλυψε το φωτόνιο, ήταν πεπεισμένος μέχρι το τέλος της ζωής του ότι η κβαντική φυσική ήταν λάθος και διαβεβαίωσε τους πάντες ότι «ο Θεός δεν παίζει ζάρια». Αλλά σύγχρονη επιστήμηόλο και περισσότεροι επιβεβαιώνουν: παίζει ακόμα.
Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, μια μέρα οι επιστήμονες αποφάσισαν να βάλουν τέλος στη συζήτηση για το «κύμα ή σωματίδιο» και να αναπαράγουν την εμπειρία του Γιουνγκ λαμβάνοντας υπόψη τις τεχνολογίες του 20ού αιώνα. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, είχαν μάθει να πυροβολούν φωτόνια ένα κάθε φορά (κβαντικές γεννήτριες, γνωστές στον πληθυσμό ως «λέιζερ»), και ως εκ τούτου αποφασίστηκε να ελεγχθεί τι θα συνέβαινε στην οθόνη εάν κάποιος πυροβολούσε ένα σωματίδιο σε δύο σχισμές: τελικά θα γίνει σαφές τι είναι ύλη υπό ελεγχόμενες πειραματικές συνθήκες.
Και ξαφνικά - ένα μόνο κβάντο φωτός (φωτόνιο) έδειξε ένα μοτίβο παρεμβολής, δηλαδή, το σωματίδιο πέταξε και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα, το φωτόνιο παρενέβη στον εαυτό του (αν πούμε επιστημονική γλώσσα). Ας διευκρινίσουμε το τεχνικό σημείο - στην πραγματικότητα, η εικόνα παρεμβολής δεν εμφανίστηκε από ένα φωτόνιο, αλλά από μια σειρά βολών σε ένα σωματίδιο σε διαστήματα 10 δευτερολέπτων - με την πάροδο του χρόνου, οι παρυφές του Young, γνωστές σε κάθε μαθητή Γ από το 1801, εμφανίστηκαν στο η οθόνη.
Από την άποψη του κύματος, αυτό είναι λογικό - το κύμα περνά μέσα από τις ρωγμές και τώρα δύο νέα κύματα αποκλίνουν σε ομόκεντρους κύκλους, επικαλύπτοντας το ένα το άλλο.
Αλλά από σωματική άποψη, αποδεικνύεται ότι το φωτόνιο βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα όταν περνά μέσα από τις σχισμές και αφού περάσει μέσα από αυτό αναμιγνύεται με τον εαυτό του. Αυτό είναι γενικά φυσιολογικό, ε;
Αποδείχθηκε ότι ήταν φυσιολογικό. Επιπλέον, δεδομένου ότι το φωτόνιο βρίσκεται σε δύο σχισμές ταυτόχρονα, σημαίνει ότι βρίσκεται ταυτόχρονα παντού, τόσο πριν από τις σχισμές όσο και αφού πετάξει μέσα από αυτές. Και γενικά, από την άποψη της κβαντικής φυσικής, το απελευθερωμένο φωτόνιο μεταξύ της αρχής και του τερματισμού είναι ταυτόχρονα "παντού και ταυτόχρονα". Οι φυσικοί αποκαλούν ένα τέτοιο σωματίδιο που είναι «παντού ταυτόχρονα» - τρομακτική λέξη, που παλαιότερα ήταν μια μαθηματική απόλαυση, έχει γίνει πλέον φυσική πραγματικότητα.
Κάποιος E. Schrödinger, ένας πολύ γνωστός αντίπαλος της κβαντικής φυσικής, είχε μέχρι εκείνη τη στιγμή σκάψει κάπου έναν τύπο που περιέγραφε τις κυματικές ιδιότητες της ύλης, όπως το νερό. Και αφού το μπέρδεψα λίγο, προς φρίκη μου, συμπέρανα τη λεγόμενη κυματική συνάρτηση. Αυτή η συνάρτηση έδειξε την πιθανότητα να βρεθεί ένα φωτόνιο σε μια συγκεκριμένη θέση. Σημειώστε ότι αυτή είναι μια πιθανότητα, όχι μια ακριβής τοποθεσία. Και αυτή η πιθανότητα εξαρτιόταν από το τετράγωνο του ύψους της κορυφής των κβαντικών κυμάτων σε μια δεδομένη θέση (αν ενδιαφέρεται κάποιος για τις λεπτομέρειες).
Θα αφιερώσουμε ένα ξεχωριστό κεφάλαιο στα θέματα μέτρησης της θέσης των σωματιδίων.
Περαιτέρω ανακαλύψεις έδειξαν ότι τα πράγματα με τον δυϊσμό είναι ακόμη χειρότερα και πιο μυστηριώδη.
Το 1924, κάποιος Louis de Broglie είπε ότι οι κυματοσωματικές ιδιότητες του φωτός είναι η κορυφή του παγόβουνου. Και όλα τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν αυτή την ακατανόητη ιδιότητα.
Δηλαδή, ένα σωματίδιο και ένα κύμα ταυτόχρονα δεν είναι μόνο σωματίδια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (φωτόνια), αλλά και πραγματικά σωματίδια όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια κ.λπ. Όλη η ύλη γύρω μας σε μικροσκοπικό επίπεδο είναι κύματα(και σωματίδια ταυτόχρονα).
Και μερικά χρόνια αργότερα, αυτό επιβεβαιώθηκε ακόμη και πειραματικά - οι Αμερικανοί οδήγησαν ηλεκτρόνια σε σωλήνες καθοδικών ακτίνων (που είναι γνωστοί στους σημερινούς παλιούς κλανούς με το όνομα "kinescope") - και έτσι οι παρατηρήσεις που σχετίζονται με την ανάκλαση των ηλεκτρονίων επιβεβαίωσαν ότι ένα ηλεκτρόνιο είναι επίσης ένα κύμα (για ευκολία κατανόησης, μπορείτε να πείτε ότι τοποθέτησαν μια πλάκα με δύο σχισμές στη διαδρομή του ηλεκτρονίου και είδαν την παρεμβολή του ηλεκτρονίου όπως είναι).
Μέχρι σήμερα, τα πειράματα έχουν ανακαλύψει ότι τα άτομα έχουν επίσης κυματικές ιδιότητες, και ακόμη και ορισμένοι ειδικοί τύποι μορίων (τα λεγόμενα «φουλλερένια») εκδηλώνονται ως κύματα.
Το διερευνητικό μυαλό του αναγνώστη, που δεν έχει ακόμη ζαλιστεί από την ιστορία μας, θα ρωτήσει: αν η ύλη είναι κύμα, τότε γιατί, για παράδειγμα, μια ιπτάμενη μπάλα δεν λερώνεται στο διάστημα με τη μορφή κύματος; Γιατί ένα αεριωθούμενο αεροπλάνο δεν μοιάζει καθόλου με κύμα, αλλά μοιάζει πολύ με ένα αεροπλάνο;
Ο De Broglie, ο διάβολος, εξήγησε τα πάντα εδώ: ναι, μια ιπτάμενη μπάλα ή ένα Boeing είναι επίσης κύμα, αλλά το μήκος αυτού του κύματος είναι μικρότερο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ώθηση. Η ορμή είναι η μάζα επί την ταχύτητα. Δηλαδή από περισσότερη μάζαύλη, τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματός της. Το μήκος κύματος μιας μπάλας που πετά με ταχύτητα 150 km/h θα είναι περίπου 0,00 μέτρα. Επομένως, δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε πώς η μπάλα απλώνεται στο διάστημα ως κύμα. Για εμάς είναι στερεή ύλη.
Ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα πολύ ελαφρύ σωματίδιο και, πετώντας με ταχύτητα 6000 km/sec, θα έχει αισθητό μήκος κύματος 0,0000000001 μέτρα.
Παρεμπιπτόντως, ας απαντήσουμε αμέσως στο ερώτημα γιατί ο ατομικός πυρήνας δεν είναι τόσο «κυματικός». Αν και βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου, γύρω από το οποίο το ηλεκτρόνιο πετά τρελά και ταυτόχρονα λερώνεται, έχει μια αξιοπρεπή ορμή που σχετίζεται με τη μάζα των πρωτονίων και των νετρονίων, καθώς και ταλάντωση (ταχύτητα) υψηλής συχνότητας λόγω στην ύπαρξη συνεχούς ανταλλαγής σωματιδίων μέσα στον πυρήνα ισχυρή αλληλεπίδραση (διαβάστε το θέμα). Επομένως, ο πυρήνας μοιάζει περισσότερο με τη στερεή ύλη που γνωρίζουμε. Το ηλεκτρόνιο, προφανώς, είναι το μόνο σωματίδιο με μάζα που έχει σαφώς εκφρασμένες κυματικές ιδιότητες, οπότε όλοι το μελετούν με ευχαρίστηση.
Ας επιστρέψουμε στα σωματίδια μας. Αποδεικνύεται λοιπόν: ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από ένα άτομο είναι ταυτόχρονα σωματίδιο και κύμα. Δηλαδή, το σωματίδιο περιστρέφεται, και ταυτόχρονα, το ηλεκτρόνιο ως κύμα αντιπροσωπεύει ένα κέλυφος συγκεκριμένου σχήματος γύρω από τον πυρήνα - πώς μπορεί αυτό να γίνει κατανοητό από τον ανθρώπινο εγκέφαλο;
Έχουμε ήδη υπολογίσει παραπάνω ότι ένα ιπτάμενο ηλεκτρόνιο έχει ένα μάλλον τεράστιο (για έναν μικρόκοσμο) μήκος κύματος και για να χωρέσει γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου, ένα τέτοιο κύμα χρειάζεται έναν απρεπώς μεγάλο χώρο. Αυτό ακριβώς εξηγεί τόσο μεγάλα μεγέθη ατόμων σε σύγκριση με τον πυρήνα. Τα μήκη κύματος του ηλεκτρονίου καθορίζουν το μέγεθος του ατόμου. Ο κενός χώρος μεταξύ του πυρήνα και της επιφάνειας του ατόμου γεμίζει από την «ενοικίαση» του μήκους κύματος (και ταυτόχρονα του σωματιδίου) του ηλεκτρονίου. Αυτή είναι μια πολύ ωμή και λανθασμένη εξήγηση - συγχωρέστε μας - στην πραγματικότητα όλα είναι πολύ πιο περίπλοκα, αλλά ο στόχος μας είναι τουλάχιστον να επιτρέψουμε στους ανθρώπους που ενδιαφέρονται για όλα αυτά να ροκανίσουν ένα κομμάτι από τον γρανίτη της επιστήμης.
Ας ξεκαθαρίσουμε ξανά!Μετά από μερικά σχόλια για το άρθρο [στο ΥΠ], καταλάβαμε τι σημαντικό σημείο έλειπε από αυτό το άρθρο. Προσοχή! Η μορφή της ύλης που περιγράφουμε δεν είναι ούτε κύμα ούτε σωματίδιο. Έχει μόνο (ταυτόχρονα) τις ιδιότητες ενός κύματος και τις ιδιότητες των σωματιδίων. Δεν μπορείς να το πεις αυτό ηλεκτρομαγνητικό κύμαή το κύμα ηλεκτρονίων είναι παρόμοια με τα θαλάσσια ή ηχητικά κύματα. Τα κύματα που γνωρίζουμε αντιπροσωπεύουν τη διάδοση των διαταραχών στο χώρο γεμάτο με κάποια ουσία.
Τα φωτόνια, τα ηλεκτρόνια και άλλες περιπτώσεις του μικρόκοσμου, όταν κινούνται στο διάστημα, μπορούν να περιγραφούν με κυματικές εξισώσεις· η συμπεριφορά τους είναι μόνο ΟΜΟΙΑ με ένα κύμα, αλλά σε καμία περίπτωση δεν είναι κύμα. Είναι παρόμοιο με τη σωματιδιακή δομή της ύλης: η συμπεριφορά ενός σωματιδίου είναι παρόμοια με την πτήση μικρών σημειακών σφαιρών, αλλά αυτές δεν είναι ποτέ μπάλες.
Αυτό πρέπει να γίνει κατανοητό και αποδεκτό, διαφορετικά όλες οι σκέψεις μας θα οδηγήσουν τελικά σε αναζήτηση αναλόγων στον μακρόκοσμο, και έτσι η κατανόηση της κβαντικής φυσικής θα τελειώσει και θα ξεκινήσει ο φριαρισμός ή η τσαρλατανική φιλοσοφία, όπως η κβαντική μαγεία και η υλικότητα των σκέψεων.
Θα εξετάσουμε τα υπόλοιπα τρομακτικά συμπεράσματα και τις συνέπειες του εκσυγχρονισμένου πειράματος του Jung αργότερα στο επόμενο μέρος - η αβεβαιότητα του Heisenberg, η γάτα του Schrödinger, η αρχή του αποκλεισμού Pauli και η κβαντική διαπλοκή περιμένουν τον ασθενή και στοχαστικό αναγνώστη που θα ξαναδιαβάσει τα άρθρα μας περισσότερες από μία φορές και θα ψάξει μέσω του Διαδικτύου σε αναζήτηση πρόσθετων πληροφοριών.
Σας ευχαριστώ όλους για την προσοχή σας. Χαρούμενη αϋπνία ή γνωστικοί εφιάλτες σε όλους!
Σημείωση: Σας υπενθυμίζουμε επιμελώς ότι όλες οι εικόνες λαμβάνονται από την Google (αναζήτηση με εικόνες) - η συγγραφή καθορίζεται εκεί.
Η παράνομη αντιγραφή κειμένου διώκεται, καταστέλλεται, καλά, ξέρετε...
Έτσι, τα μικροσωματίδια έχουν εξαιρετικές ιδιότητες. Μικροσωματίδια – αυτά είναι στοιχειώδη σωματίδια(ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια κ.λπ.), καθώς και σύνθετα σωματίδια,που σχηματίζεται από μικρό αριθμό δημοτικών(Αντίο αδιαίρετος) σωματίδια(άτομα, μόρια, ατομικοί πυρήνες). Ονομάζοντας αυτά τα μικροσωματίδια σωματίδια, τονίζουμε μόνο τη μία πλευρά· θα ήταν πιο σωστό να ονομάσουμε « σωματίδιο-κύμα».
Τα μικροσωματίδια δεν είναι σε θέση να επηρεάσουν άμεσα τις αισθήσεις μας - δεν μπορούν να τα δουν ή να τα αγγίξουν. Γνωρίζουμε τι θα συμβεί σε ένα μεγάλο αντικείμενο. αλλά έτσι ακριβώς δεν λειτουργούν τα μικροσωματίδια! Επομένως, κατά τη μελέτη τους, πρέπει κανείς να καταφύγει σε διάφορα είδη αφαιρέσεων. , τέντωσε τη φαντασία σου και μην προσπαθείςσυνδέστε τα με την άμεση εμπειρία μας.
Σε κβαντική φυσικήκατανοώ σημαίνει σχηματίζω μια οπτική εικόνα ενός αντικειμένου ή μιας διαδικασίας. Στην κβαντική φυσική δεν μπορείς να σκέφτεσαι έτσι. Οποιοδήποτε οπτικό μοντέλο θα λειτουργεί σύμφωνα με τους κλασικούς νόμους και επομένως δεν είναι κατάλληλο για την αναπαράσταση κβαντικών διεργασιών. Για παράδειγμα, η περιστροφή ενός ηλεκτρονίου σε τροχιά γύρω από ένα άτομο είναι μια τέτοια αναπαράσταση. Αυτό είναι ένα αφιέρωμα κλασική φυσικήκαι δεν αντιστοιχεί στην πραγματική κατάσταση πραγμάτων, δεν αντιστοιχεί σε κβαντικούς νόμους.
Τα κύματα Louis de Broglie που θεωρήσαμε δεν είναι ηλεκτρομαγνητικός, πρόκειται για κύματα ιδιαίτερης φύσης.
Ας υπολογίσουμε το μήκος κύματος de Broglie μιας μπάλας με μάζα 0,20 kg που κινείται με ταχύτητα 15 m/s.
| . | (3.3.1) |
Αυτό είναι ένα εξαιρετικά μικρό μήκος κύματος. Ακόμη και σε εξαιρετικά χαμηλές ταχύτητες, ας πούμε m/s, το μήκος κύματος de Broglie θα ήταν περίπου m. Το μήκος κύματος de Broglie ενός κανονικού σώματος είναι πολύ μικρό για να ανιχνευθεί και να μετρηθεί. Το γεγονός είναι ότι οι τυπικές κυματικές ιδιότητες - παρεμβολή και περίθλαση - εμφανίζονται μόνο όταν τα μεγέθη των αντικειμένων ή των σχισμών είναι συγκρίσιμα σε μέγεθος με το μήκος κύματος. Αλλά δεν γνωρίζουμε αντικείμενα και σχισμές στις οποίες θα μπορούσαν να διαθλάσουν κύματα με μήκος κύματος λ, επομένως οι κυματικές ιδιότητες των συνηθισμένων σωμάτων δεν μπορούν να ανιχνευθούν.
Είναι διαφορετικό θέμα αν μιλάμε για στοιχειώδη σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια. Επειδή Η μάζα περιλαμβάνεται στον παρονομαστή του τύπου 3.3.1, ο οποίος καθορίζει το μήκος κύματος de Broglie· μια πολύ μικρή μάζα αντιστοιχεί σε μεγάλο μήκος κύματος.
Ας προσδιορίσουμε το μήκος κύματος de Broglie ενός ηλεκτρονίου που επιταχύνεται με διαφορά δυναμικού 100 V.
Κυρία,
Από το παραπάνω παράδειγμα μπορεί να φανεί ότι ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να αντιστοιχεί σε μήκος κύματος της τάξης του . Αν και είναι πολύ μικρά κύματα, μπορούν να ανιχνευθούν πειραματικά: οι διατομικές αποστάσεις σε έναν κρύσταλλο της ίδιας τάξης μεγέθους () και τα κανονικά διατεταγμένα άτομα του κρυστάλλου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πλέγμα περίθλασης, όπως στην περίπτωση των ακτινογραφιών. Έτσι, εάν η υπόθεση του Louis de Broglie είναι αληθινή, τότε, όπως τόνισε ο Αϊνστάιν, για ηλεκτρόνια, θα πρέπει να παρατηρηθεί το φαινόμενο της περίθλασης.
Ας κάνουμε ένα διάλειμμα και ας στήσουμε ένα πείραμα σκέψης. Ας κατευθύνουμε μια παράλληλη δέσμη μονοενεργειακών (δηλαδή, με την ίδια κινητική ενέργεια) ηλεκτρονίων σε ένα εμπόδιο με δύο στενές σχισμές (Εικ. 3.6) και ας τοποθετήσουμε μια φωτογραφική πλάκα (FP) πίσω από το εμπόδιο.
| ΕΝΑ | σι | V |
Αρχικά, κλείστε τη δεύτερη σχισμή και εκτεθείτε για ένα χρονικό διάστημα t. Το μαύρισμα στο κατεργασμένο FP θα χαρακτηρίζεται από την καμπύλη 1, Εικ. 3.6, β. Στη συνέχεια κλείνουμε την πρώτη σχισμή και εκθέτουμε τη δεύτερη φωτογραφική πλάκα. Η φύση του μαυρίσματος μεταφέρεται σε αυτή την περίπτωση από την καμπύλη 2 (Εικ. 3.6, β). Τέλος, ανοίξτε και τις δύο σχισμές και εκτεθείτε για ένα χρονικό διάστημα tτρίτη πλάκα. Το σχέδιο μαυρίσματος που λαμβάνεται στην τελευταία περίπτωση φαίνεται στο Σχ. 3.6, γ. Αυτή η εικόνα δεν είναι σε καμία περίπτωση ισοδύναμη με την κατάσταση των δύο πρώτων. Πώς μπορεί το άνοιγμα μιας δεύτερης σχισμής να επηρεάσει εκείνα τα ηλεκτρόνια που φαίνεται να έχουν περάσει από την άλλη σχισμή; Η εικόνα που προκύπτει (Εικ. 3.6, γ) αποδεικνύεται ότι είναι παρόμοια με την εικόνα που προκύπτει από την παρεμβολή δύο συνεκτικών κυμάτων φωτός. Η φύση της εικόνας δείχνει ότι η κίνηση κάθε ηλεκτρονίου επηρεάζεται και από τις δύο οπές. Αυτό το συμπέρασμα είναι ασυμβίβαστο με την ιδέα των τροχιών. Εάν ένα ηλεκτρόνιο βρισκόταν σε ένα συγκεκριμένο σημείο του χώρου κάθε στιγμή και κινούνταν κατά μήκος μιας τροχιάς, θα περνούσε μέσα από μια συγκεκριμένη οπή - την πρώτη ή τη δεύτερη. Το φαινόμενο της περίθλασης αποδεικνύει ότι και οι δύο οπές —η πρώτη και η δεύτερη— εμπλέκονται στη διέλευση κάθε ηλεκτρονίου.
Ετσι, η περίθλαση ηλεκτρονίων και άλλων μικροσωματιδίων αποδεικνύει την εγκυρότητα της υπόθεσης του Louis de Broglie και επιβεβαιώνει τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου των μικροσωματιδίων της ύλης .
39. Δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου των ιδιοτήτων της ύλης.
Διδυισμός σωματιδίων-κύματος των ιδιοτήτων της ακτινοβολίας ΗΜ. Αυτό σημαίνει ότι η φύση του φωτός μπορεί να θεωρηθεί από δύο πλευρές: αφενός, είναι ένα κύμα, οι ιδιότητες του οποίου εκδηλώνονται στους νόμους της διάδοσης του φωτός, της παρεμβολής, της περίθλασης, της πόλωσης. Από την άλλη πλευρά, το φως είναι ένα ρεύμα σωματιδίων που έχουν ενέργεια και ορμή. Οι σωματικές ιδιότητες του φωτός εκδηλώνονται στις διαδικασίες αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φαινόμενο Compton).
Με την ανάλυση, μπορεί κανείς να καταλάβει ότι όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος l, τόσο μικρότερη είναι η ενέργεια (από E = hс/l), όσο μικρότερη είναι η ορμή, τόσο πιο δύσκολο είναι να ανιχνευθούν οι κβαντικές ιδιότητες του φωτός.
Όσο μικρότερο l => μεγαλύτερη είναι η ενέργεια Ε του φωτονίου, τόσο πιο δύσκολο είναι να ανιχνευθούν οι κυματικές ιδιότητες του φωτός.
Η σχέση μεταξύ των ιδιοτήτων διπλού σωματιδίου-κύματος του φωτός μπορεί να εξηγηθεί εάν χρησιμοποιηθεί μια στατιστική προσέγγιση για την εξέταση των προτύπων κατανομής του φωτός.
Για παράδειγμα, περίθλαση φωτός από μια σχισμή: όταν το φως διέρχεται από μια σχισμή, τα φωτόνια ανακατανέμονται στο διάστημα. Δεδομένου ότι η πιθανότητα ένα φωτόνιο να χτυπήσει διαφορετικά σημεία στην οθόνη δεν είναι η ίδια, εμφανίζεται ένα μοτίβο περίθλασης. Ο φωτισμός της οθόνης (ο αριθμός των φωτονίων που προσπίπτουν σε αυτήν) είναι ανάλογος με την πιθανότητα να χτυπήσει ένα φωτόνιο σε αυτό το σημείο. Από την άλλη πλευρά, ο φωτισμός της οθόνης είναι ανάλογος του τετραγώνου του πλάτους κύματος I~E 2 . Επομένως, το τετράγωνο του πλάτους ενός φωτεινού κύματος σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου είναι ένα μέτρο της πιθανότητας ενός φωτονίου να χτυπήσει αυτό το σημείο του χώρου.
44. Εξίσωση Schrödinger για στατικές καταστάσεις.
Εξίσωση (217.5) ονομάζεται εξίσωση Schrödinger για στατικές καταστάσεις.Αυτή η εξίσωση περιλαμβάνει τη συνολική ενέργεια ως παράμετρο μισωματίδια. Στη θεωρία των διαφορικών εξισώσεων, αποδεικνύεται ότι τέτοιες εξισώσεις έχουν άπειρο αριθμό λύσεων, από τις οποίες, επιβάλλοντας οριακές συνθήκες, επιλέγονται λύσεις που έχουν φυσική έννοια. Για την εξίσωση Schrödinger, τέτοιες συνθήκες είναι οι προϋποθέσεις για την κανονικότητα των κυματοσυναρτήσεων: οι κυματοσυναρτήσεις πρέπει να είναι πεπερασμένες, μονής τιμής και συνεχείς μαζί με τις πρώτες τους παραγώγους. Έτσι, μόνο εκείνες οι λύσεις που εκφράζονται με κανονικές συναρτήσεις έχουν πραγματική φυσική σημασία Αλλά οι κανονικές λύσεις δεν λαμβάνουν χώρα για καμία τιμή της παραμέτρου Ε, αμόνο για ένα συγκεκριμένο σύνολο από αυτά, χαρακτηριστικό μιας δεδομένης εργασίας. Αυτές οι ενεργειακές τιμές ονομάζονται τα δικά.Λύσεις που αντιστοιχούν τα δικάονομάζονται ενεργειακές τιμές δικές του λειτουργίες.Ιδιοτιμές μιμπορεί να σχηματίσει είτε συνεχή είτε διακριτή σειρά. Στην πρώτη περίπτωση μιλάμε για συνεχής,ή συνεχές φάσμαστο δεύτερο - σχετικά με το διακριτό φάσμα.
40. Τα κύματα De Broglie και οι ιδιότητές τους.
Ο De Broglie υποστήριξε ότι όχι μόνο τα φωτόνια, αλλά και τα ηλεκτρόνια και οποιαδήποτε άλλα σωματίδια ύλης, μαζί με τα σωματίδια, έχουν επίσης κυματικές ιδιότητες. Έτσι, σύμφωνα με τον de Broglie, με κάθε μικροαντικείμενοσυνδέονται, αφενός, αιμοσφαιρικόςχαρακτηριστικά - ενέργεια μικαι ορμή R,και από την άλλη - χαρακτηριστικά κυμάτων- συχνότητα v και μήκος κύματος ΠΡΟΣ ΤΗΝ.Οι ποσοτικές σχέσεις που συνδέουν τις σωματιδιακές και κυματικές ιδιότητες των σωματιδίων είναι οι ίδιες όπως για τα φωτόνια: μι= hv, Π= η/ . (213.1) Η τόλμη της υπόθεσης του de Broglie έγκειται ακριβώς στο γεγονός ότι η σχέση (213.1) υποτέθηκε όχι μόνο για τα φωτόνια, αλλά και για άλλα μικροσωματίδια, ιδιαίτερα για εκείνα που έχουν μάζα ηρεμίας. Έτσι, οποιοδήποτε σωματίδιο με ορμή συνδέεται με μια διαδικασία κύματος με καθορισμένο μήκος κύματος σύμφωνα με τον τύπο του de Broglie: = η/ Π. (213.2) Αυτή η σχέση ισχύει για κάθε σωματίδιο με ορμή R.Σύντομα η υπόθεση του de Broglie επιβεβαιώθηκε πειραματικά. (K. Davisson, L. Germer) ανακάλυψε ότι μια δέσμη ηλεκτρονίων διασκορπισμένη από ένα φυσικό πλέγμα περίθλασης - έναν κρύσταλλο νικελίου - δίνει ένα ξεχωριστό σχέδιο περίθλασης. Τα μέγιστα περίθλασης αντιστοιχούσαν στον τύπο Wulff-Bragg (182.1) και το μήκος κύματος Bragg αποδείχθηκε ακριβώς ίσο με το μήκος κύματος που υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας τον τύπο (213.2). Στη συνέχεια, ο τύπος του de Broglie επιβεβαιώθηκε από τα πειράματα των P. S. Tartakovsky και G. Thomson, οι οποίοι παρατήρησαν το μοτίβο περίθλασης όταν μια δέσμη γρήγορων ηλεκτρονίων (ενέργεια 50 keV) περνούσε από μεταλλικό φύλλο (πάχος 1 μm). Δεδομένου ότι το σχέδιο περίθλασης μελετήθηκε για μια ροή ηλεκτρονίων, ήταν απαραίτητο να αποδειχθεί ότι οι κυματικές ιδιότητες είναι εγγενείς όχι μόνο στη ροή μιας μεγάλης συλλογής ηλεκτρονίων, αλλά και σε κάθε ηλεκτρόνιο ξεχωριστά. Αυτό επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 1948. Σοβιετικός φυσικός V. A. Fabrikant (γεν. 1907). Έδειξε ότι ακόμη και στην περίπτωση μιας τόσο αδύναμης δέσμης ηλεκτρονίων, όταν κάθε ηλεκτρόνιο διέρχεται από τη συσκευή ανεξάρτητα από τα άλλα (το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο ηλεκτρονίων είναι 10 4 φορές μεγαλύτερο από το χρόνο που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο για να περάσει από τη συσκευή) , το μοτίβο περίθλασης που προκύπτει κατά τη διάρκεια μιας μακράς έκθεσης δεν διαφέρει από τα σχήματα περίθλασης που λαμβάνονται με μια σύντομη έκθεση σε ροές ηλεκτρονίων δεκάδες εκατομμύρια φορές πιο έντονες. Κατά συνέπεια, οι κυματικές ιδιότητες των σωματιδίων δεν είναι ιδιότητα του συλλογικού τους, αλλά είναι εγγενείς σε κάθε σωματίδιο ξεχωριστά. Στη συνέχεια, ανακαλύφθηκαν επίσης φαινόμενα περίθλασης για νετρόνια, πρωτόνια, ατομικές και μοριακές δέσμες. Η πειραματική απόδειξη της παρουσίας κυματικών ιδιοτήτων μικροσωματιδίων οδήγησε στο συμπέρασμα ότι έχουμε μπροστά μας ένα παγκόσμιο φαινόμενο, μια γενική ιδιότητα της ύλης. Αλλά τότε οι κυματικές ιδιότητες πρέπει επίσης να είναι εγγενείς στα μακροσκοπικά σώματα. Γιατί δεν ανακαλύφθηκαν πειραματικά; Για παράδειγμα, ένα σωματίδιο με μάζα 1 g που κινείται με ταχύτητα 1 m/s αντιστοιχεί σε ένα κύμα de Broglie με =6,62 10 -31 m. Αυτό το μήκος κύματος βρίσκεται έξω από την περιοχή που είναι προσβάσιμη για παρατήρηση (περιοδικές δομές με περίοδο d10 -31 m δεν υπάρχει). Ως εκ τούτου, πιστεύεται ότι τα μακροσκοπικά σώματα εμφανίζουν μόνο τη μία πλευρά των ιδιοτήτων τους - την σωματιδιακή - και δεν εμφανίζουν την κυματική. Η ιδέα της φύσης διπλού σωματιδίου-κύματος των σωματιδίων της ύλης βαθαίνει περαιτέρω από το γεγονός ότι η σύνδεση μεταξύ της συνολικής ενέργειας του σωματιδίου μεταφέρεται σε σωματίδια ύλης σολκαι συχνότητα v των κυμάτων de Broglie: e=hv. (213.3) Αυτό δείχνει ότι η σχέση μεταξύ ενέργειας και συχνότητας στον τύπο (213.3) έχει τον χαρακτήρα καθολική αναλογία,ισχύει τόσο για φωτόνια όσο και για άλλα μικροσωματίδια. Η εγκυρότητα της σχέσης (213.3) προκύπτει από τη συμφωνία με την εμπειρία εκείνων των θεωρητικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν με τη βοήθειά της στην κβαντική μηχανική, την ατομική και την πυρηνική φυσική. Η πειραματικά επιβεβαιωμένη υπόθεση του De Broglie σχετικά με τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου των ιδιοτήτων της ύλης άλλαξε ριζικά την ιδέα των ιδιοτήτων των μικροαντικειμένων. Όλα τα μικροαντικείμενα έχουν τόσο σωματικές όσο και κυματικές ιδιότητες. Ταυτόχρονα, κανένα από τα μικροσωματίδια δεν μπορεί να θεωρηθεί ούτε σωματίδιο ούτε κύμα με την κλασική έννοια. Η σύγχρονη ερμηνεία της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου μπορεί να εκφραστεί με τα λόγια του σοβιετικού θεωρητικού φυσικού V. A. Fock (1898-1974): «Μπορούμε να πούμε ότι για ένα ατομικό αντικείμενο υπάρχει μια πιθανή ευκαιρία να εκδηλωθεί, ανάλογα με τις εξωτερικές συνθήκες, είτε ως κύμα είτε ως σωματίδιο, είτε με ενδιάμεσο τρόπο. Είναι σε αυτό πιθανή ευκαιρίαδιάφορες εκδηλώσεις ιδιοτήτων που είναι εγγενείς σε ένα μικροαντικείμενο συνιστούν τον δυϊσμό κύματος-σωματιδίου. Οποιαδήποτε άλλη, πιο κυριολεκτική, κατανόηση αυτού του δυϊσμού με τη μορφή κάποιου είδους μοντέλου είναι εσφαλμένη».
