Εισαγωγή
Σχεδόν ταυτόχρονα, προτάθηκαν δύο θεωρίες φωτός: η σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα και η κυματική θεωρία του Huygens.
Σύμφωνα με τη σωματιδιακή θεωρία ή τη θεωρία της εκροής, που προτάθηκε από τον Νεύτωνα στα τέλη του 17ου αιώνα, τα φωτεινά σώματα εκπέμπουν μικροσκοπικά σωματίδια (σωματίδια) που πετούν ευθεία προς όλες τις κατευθύνσεις και, όταν εισέρχονται στο μάτι, προκαλούν μια αίσθηση φωτός. .
Σύμφωνα με κυματική θεωρίατο φωτεινό σώμα κάνει τα πάντα να γεμίζουν παγκόσμιο διάστημαένα ειδικό μέσο - τον παγκόσμιο αιθέρα - ελαστικές δονήσεις που διαδίδονται στον αιθέρα σαν ηχητικά κύματα στον αέρα.
Την εποχή του Νεύτωνα και του Χάιγκενς, οι περισσότεροι επιστήμονες συμμετείχαν στη σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα, η οποία εξήγησε αρκετά ικανοποιητικά όλα τα φαινόμενα φωτός που ήταν γνωστά εκείνη την εποχή. Η ανάκλαση του φωτός εξηγήθηκε παρόμοια με την ανάκλαση ελαστικών σωμάτων κατά την πρόσκρουση με ένα επίπεδο. Η διάθλαση του φωτός εξηγήθηκε από τη δράση μεγάλων ελκτικών δυνάμεων στα σωματίδια από ένα πιο πυκνό μέσο. Υπό την επίδραση αυτών των δυνάμεων, οι οποίες εκδηλώνονται, σύμφωνα με τη θεωρία του Νεύτωνα, όταν πλησιάζουν σε ένα πυκνότερο μέσο, τα φωτεινά σωματίδια έλαβαν επιτάχυνση που κατευθύνεται κάθετα στο όριο αυτού του μέσου, ως αποτέλεσμα της οποίας άλλαξαν την κατεύθυνση της κίνησης και στο ταυτόχρονα αύξησαν την ταχύτητά τους. Άλλα φαινόμενα φωτός εξηγήθηκαν με παρόμοιο τρόπο.
Στη συνέχεια, νέες παρατηρήσεις που εμφανίστηκαν δεν ταιριάζουν στο πλαίσιο αυτής της θεωρίας. Συγκεκριμένα, η ασυνέπεια αυτής της θεωρίας ανακαλύφθηκε όταν μετρήθηκε η ταχύτητα διάδοσης του φωτός στο νερό. Αποδείχθηκε ότι δεν ήταν περισσότερο, αλλά λιγότερο από ό, τι στον αέρα.
Στις αρχές του 19ου αιώνα, η κυματική θεωρία του Huygens, που δεν αναγνωρίστηκε από τους συγχρόνους του, αναπτύχθηκε και βελτιώθηκε από τους Young και Fresnel και έλαβε παγκόσμια αναγνώριση. Στη δεκαετία του '60 του περασμένου αιώνα, αφού ο Maxwell ανέπτυξε τη θεωρία ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, αποδείχθηκε ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Έτσι, η κυματομηχανιστική θεωρία του φωτός αντικαταστάθηκε από την κυματική ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Τα φωτεινά κύματα (ορατό φάσμα) καταλαμβάνουν το εύρος 0,4–0,7 μm στην κλίμακα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η κυματική θεωρία του φωτός του Maxwell, η οποία αντιμετωπίζει την ακτινοβολία ως μια συνεχή διαδικασία, δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει μερικά από τα πρόσφατα ανακαλυφθέντα οπτικά φαινόμενα. Συμπληρώθηκε από την κβαντική θεωρία του φωτός, σύμφωνα με την οποία η ενέργεια ενός φωτεινού κύματος εκπέμπεται, κατανέμεται και απορροφάται όχι συνεχώς, αλλά σε ορισμένα τμήματα - κβάντα φωτός ή φωτόνια - που εξαρτώνται μόνο από το μήκος του κύματος φωτός. Έτσι, σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, το φως έχει και κυματικές και σωματικές ιδιότητες.
Παρεμβολή φωτός
Τα κύματα που δημιουργούν ταλαντώσεις σε κάθε σημείο του χώρου με διαφορά φάσης που δεν αλλάζει με την πάροδο του χρόνου ονομάζονται συνεκτικά. Η διαφορά φάσης σε αυτή την περίπτωση έχει σταθερή, αλλά, γενικά, διαφορετική τιμή για διαφορετικά σημεία του χώρου. Είναι προφανές ότι μόνο τα κύματα της ίδιας συχνότητας μπορούν να είναι συνεκτικά.
Όταν πολλά συνεκτικά κύματα διαδίδονται στο χώρο, οι ταλαντώσεις που δημιουργούνται από αυτά τα κύματα ενισχύονται μεταξύ τους σε ορισμένα σημεία και εξασθενούν η μία την άλλη σε άλλα. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται παρεμβολή κυμάτων. Τα κύματα οποιασδήποτε φυσικής φύσης μπορούν να παρεμβαίνουν. Θα εξετάσουμε την παρεμβολή των κυμάτων φωτός.
Οι πηγές συνεκτικών κυμάτων ονομάζονται επίσης συνεκτικές. Όταν μια συγκεκριμένη επιφάνεια φωτίζεται από πολλές συνεκτικές πηγές φωτός, εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές λωρίδες εμφανίζονται γενικά σε αυτήν την επιφάνεια.
Δύο ανεξάρτητες πηγές φωτός, για παράδειγμα δύο ηλεκτρικοί λαμπτήρες, δεν είναι συνεκτικές. Τα κύματα φωτός που εκπέμπουν είναι το αποτέλεσμα της προσθήκης μεγάλη ποσότητακύματα που εκπέμπονται από μεμονωμένα άτομα. Η εκπομπή κυμάτων από άτομα συμβαίνει τυχαία, και επομένως δεν υπάρχουν σταθερές σχέσεις μεταξύ των φάσεων των κυμάτων που εκπέμπονται από δύο πηγές.
Όταν η επιφάνεια φωτίζεται από ασυνάρτητες πηγές, το μοτίβο των εναλλασσόμενων φωτεινών και σκοτεινών λωρίδων χαρακτηριστικών παρεμβολών δεν εμφανίζεται. Ο φωτισμός σε κάθε σημείο αποδεικνύεται ίσος με το άθροισμα του φωτισμού που δημιουργείται από κάθε μία από τις πηγές χωριστά.
Τα συνεκτικά κύματα παράγονται με το διαχωρισμό μιας δέσμης φωτός από μια πηγή σε δύο ή περισσότερες ξεχωριστές δέσμες.
Μπορεί να παρατηρηθεί παρεμβολή φωτός όταν φωτίζεται μια διαφανής πλάκα μεταβλητού πάχους, ιδιαίτερα μια πλάκα σε σχήμα σφήνας, με μονόχρωμες (μονόχρωμες) ακτίνες. Το μάτι του παρατηρητή θα λάβει κύματα που αντανακλώνται τόσο από την μπροστινή όσο και από την πίσω επιφάνεια της πλάκας. Το αποτέλεσμα της παρεμβολής καθορίζεται από τη διαφορά στις φάσεις αυτών και άλλων κυμάτων, η οποία αλλάζει σταδιακά με τις αλλαγές στο πάχος
εγγραφές. Ο φωτισμός αλλάζει ανάλογα: εάν η διαφορά στη διαδρομή των κυμάτων που παρεμβάλλονται σε ένα ορισμένο σημείο της επιφάνειας της πλάκας είναι ίση με έναν ζυγό αριθμό μισών κυμάτων, τότε σε αυτό το σημείο η επιφάνεια θα φαίνεται ελαφριά, με διαφορά φάσης του περιττός αριθμόςμισά κύματα – σκοτεινά.Όταν μια επίπεδη-παράλληλη πλάκα φωτίζεται από μια παράλληλη δέσμη, η διαφορά φάσης των κυμάτων φωτός που ανακλώνται από την μπροστινή και την πίσω επιφάνειά της είναι η ίδια σε όλα τα σημεία - η πλάκα θα φαίνεται ομοιόμορφα φωτισμένη.
Γύρω από το σημείο επαφής ενός ελαφρώς κυρτού γυαλιού με ένα επίπεδο, όταν φωτίζεται με μονόχρωμο φως, παρατηρούνται σκοτεινοί και φωτεινοί δακτύλιοι - οι λεγόμενοι δακτύλιοι του Νεύτωνα. Εδώ, το λεπτότερο στρώμα αέρα μεταξύ των δύο γυαλιών παίζει το ρόλο μιας ανακλαστικής μεμβράνης, με σταθερό πάχος κατά μήκος ομόκεντρων κύκλων.
Περίθλαση φωτός.
Το φωτεινό κύμα δεν αλλάζει γεωμετρικό σχήμαμπροστά κατά τη διάδοση σε ομοιογενές μέσο. Ωστόσο, εάν το φως διαδίδεται σε ένα ανομοιογενές μέσο, στο οποίο, για παράδειγμα, υπάρχουν αδιαφανείς οθόνες, περιοχές του χώρου με σχετικά έντονη μεταβολή του δείκτη διάθλασης κ.λπ., τότε παρατηρείται παραμόρφωση του μετώπου κύματος. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται μια ανακατανομή της έντασης του φωτεινού κύματος στο διάστημα. Όταν φωτίζετε, για παράδειγμα, αδιαφανείς οθόνες με σημειακή πηγή φωτός στο όριο της σκιάς, όπου, σύμφωνα με τους νόμους γεωμετρική οπτικήθα πρέπει να υπάρχει μια απότομη μετάβαση από τη σκιά στο φως, παρατηρείται ένας αριθμός σκοτεινών και φωτεινών λωρίδων, μέρος του φωτός διεισδύει στην περιοχή της γεωμετρικής σκιάς. Αυτά τα φαινόμενα σχετίζονται με τη διάθλαση του φωτός.
Έτσι, η περίθλαση του φωτός με τη στενή έννοια είναι το φαινόμενο του φωτός να κάμπτεται γύρω από το περίγραμμα των αδιαφανών σωμάτων και το φως να εισέρχεται στην περιοχή μιας γεωμετρικής σκιάς. V με ευρεία έννοια- οποιαδήποτε απόκλιση στη διάδοση του φωτός από τους νόμους της γεωμετρικής οπτικής.
Ορισμός του Sommerfeld: η περίθλαση του φωτός νοείται ως οποιαδήποτε απόκλιση από την ευθύγραμμη διάδοση εάν δεν μπορεί να εξηγηθεί ως αποτέλεσμα ανάκλασης, διάθλασης ή κάμψης των ακτίνων φωτός σε μέσα με συνεχώς μεταβαλλόμενο δείκτη διάθλασης.
Εάν το μέσο περιέχει μικροσκοπικά σωματίδια (ομίχλη) ή ο δείκτης διάθλασης αλλάζει αισθητά σε αποστάσεις της τάξης του μήκους κύματος, τότε σε αυτές τις περιπτώσεις μιλάμε για σκέδαση φωτός και ο όρος «διάθλαση» δεν χρησιμοποιείται.
Υπάρχουν δύο τύποι περίθλασης φωτός. Μελετώντας το σχήμα περίθλασης σε ένα σημείο παρατήρησης που βρίσκεται σε πεπερασμένη απόσταση από ένα εμπόδιο, έχουμε να κάνουμε με περίθλαση Fresnel. Εάν το σημείο παρατήρησης και η πηγή φωτός βρίσκονται τόσο μακριά από το εμπόδιο που οι ακτίνες που προσπίπτουν στο εμπόδιο και οι ακτίνες που πηγαίνουν στο σημείο παρατήρησης μπορούν να θεωρηθούν παράλληλες δέσμες, τότε μιλάμε για περίθλαση σε παράλληλες ακτίνες - Περίθλαση Fraunhofer.
Η θεωρία της περίθλασης εξετάζει τις κυματικές διεργασίες σε περιπτώσεις όπου υπάρχουν εμπόδια στη διαδρομή διάδοσης του κύματος.
Χρησιμοποιώντας τη θεωρία της περίθλασης, προβλήματα όπως η προστασία από τον θόρυβο με χρήση ακουστικών οθονών, η διάδοση ραδιοκυμάτων στην επιφάνεια της Γης, η λειτουργία οπτικών οργάνων (καθώς η εικόνα που δίνεται από έναν φακό είναι πάντα ένα σχέδιο περίθλασης), μετρήσεις ποιότητας επιφάνειας, μελέτη της δομής της ύλης, και πολλά άλλα επιλύονται. .
Πόλωση φωτός
Τα φαινόμενα παρεμβολής και περίθλασης που χρησίμευαν για να δικαιολογήσουν κυματική φύσηφως, δεν δίνετε ακόμη μια πλήρη ιδέα για τη φύση των κυμάτων φωτός. Νέα χαρακτηριστικά μας αποκαλύπτονται από την εμπειρία της διέλευσης του φωτός μέσα από κρυστάλλους, ιδιαίτερα μέσω της τουρμαλίνης.
Ας πάρουμε δύο όμοιες ορθογώνιες πλάκες τουρμαλίνης, κομμένες έτσι ώστε η μία από τις πλευρές του ορθογωνίου να συμπίπτει με μια συγκεκριμένη κατεύθυνση μέσα στον κρύσταλλο, που ονομάζεται οπτικός άξονας. Ας βάλουμε το ένα πιάτο πάνω στο άλλο έτσι ώστε οι άξονές τους να συμπίπτουν στην κατεύθυνση και ας περάσουμε μια στενή δέσμη φωτός από ένα φανάρι ή τον ήλιο μέσα από το διπλωμένο ζευγάρι των πιάτων. Δεδομένου ότι η τουρμαλίνη είναι ένας καφέ-πράσινος κρύσταλλος, το ίχνος της μεταδιδόμενης δέσμης θα εμφανιστεί στην οθόνη ως σκούρο πράσινο κηλίδα. Ας αρχίσουμε να περιστρέφουμε μία από τις πλάκες γύρω από τη δοκό, αφήνοντας τη δεύτερη ακίνητη. Θα διαπιστώσουμε ότι το ίχνος της δοκού γίνεται πιο αδύναμο και όταν η πλάκα περιστραφεί κατά 90 0, θα εξαφανιστεί εντελώς. Με περαιτέρω περιστροφή της πλάκας, η δέσμη διασταύρωσης θα αρχίσει και πάλι να εντείνεται και να φτάσει στην προηγούμενη έντασή της όταν η πλάκα περιστραφεί 180 0, δηλ. όταν οι οπτικοί άξονες των πλακών είναι και πάλι παράλληλοι. Με περαιτέρω περιστροφή της τουρμαλίνης, η δέσμη εξασθενεί ξανά.
Όλα τα παρατηρούμενα φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν εάν εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα.
1) Οι φωτεινές δονήσεις στη δέσμη κατευθύνονται κάθετα στη γραμμή διάδοσης του φωτός (τα κύματα φωτός είναι εγκάρσια).
2) Η τουρμαλίνη είναι ικανή να μεταδίδει ελαφριές δονήσεις μόνο όταν κατευθύνονται με συγκεκριμένο τρόπο σε σχέση με τον άξονά της.
3) Στο φως ενός φαναριού (του ήλιου) παρουσιάζονται εγκάρσιες δονήσεις οποιασδήποτε κατεύθυνσης και επιπλέον στην ίδια αναλογία, ώστε να μην κυριαρχεί καμία κατεύθυνση.
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 ώθηση, τόσο πιο δύσκολο είναι να ανιχνευθεί κβαντικές ιδιότητεςΣβέτα.
Όσο μικρότερο l => όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του φωτονίου Ε, τόσο πιο δύσκολο είναι να ανιχνευθεί ιδιότητες κυμάτωνΣβέτα.
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 επιλέγονται λύσεις που έχουν φυσική σημασία επιβάλλοντας οριακές συνθήκες. 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».
Το ίδιο και οι σωματιδιακές (κβαντικές) ιδιότητες.
Η ιδέα της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου χρησιμοποιήθηκε στην ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής για την ερμηνεία των φαινομένων που παρατηρούνται στον μικρόκοσμο με όρους κλασικών εννοιών. Σύμφωνα με το θεώρημα του Ehrenfest, τα κβαντικά ανάλογα του συστήματος κανονικών εξισώσεων του Hamilton για μακροσωματίδια οδηγούν στις συνήθεις εξισώσεις της κλασικής μηχανικής. Μια περαιτέρω ανάπτυξη της αρχής της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου ήταν η έννοια των κβαντισμένων πεδίων στην κβαντική θεωρία πεδίων.
Ωστόσο, το πείραμα δείχνει ότι το φωτόνιο δεν είναι βραχύς παλμός ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, για παράδειγμα, δεν μπορεί να χωριστεί σε πολλές δέσμες με οπτικούς διαχωριστές δέσμης, όπως φάνηκε ξεκάθαρα από ένα πείραμα που διεξήχθη από τους Γάλλους φυσικούς Grangier, Roger και Aspe το 1986. Οι σωματικές ιδιότητες του φωτός εκδηλώνονται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και στο φαινόμενο Compton. Ένα φωτόνιο συμπεριφέρεται επίσης σαν ένα σωματίδιο που εκπέμπεται ή απορροφάται εξ ολοκλήρου από αντικείμενα των οποίων οι διαστάσεις είναι πολύ μικρότερες από το μήκος κύματός του (για παράδειγμα, ατομικοί πυρήνες), ή μπορεί γενικά να θεωρηθεί σαν σημείο (για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο).
Τώρα έννοια δυαδικότητα κύματος-σωματιδίουέχει μόνο ιστορικό ενδιαφέρον, αφού, πρώτον, είναι εσφαλμένο να συγκρίνουμε και/ή να αντιπαραβάλλουμε ένα υλικό αντικείμενο (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, για παράδειγμα) και τη μέθοδο περιγραφής του (σωμάτιο ή κυματικό). και, δεύτερον, ο αριθμός των τρόπων περιγραφής ενός υλικού αντικειμένου μπορεί να είναι περισσότεροι από δύο (σωματιδιακός, κυματικός, θερμοδυναμικός, ...), έτσι ώστε ο ίδιος ο όρος «δυϊσμός» να γίνει λανθασμένος. Κατά την ίδρυσή της, η έννοια της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου χρησίμευσε ως τρόπος ερμηνείας της συμπεριφοράς των κβαντικών αντικειμένων, επιλέγοντας αναλογίες από την κλασική φυσική. Στην πραγματικότητα, τα κβαντικά αντικείμενα δεν είναι ούτε κλασικά κύματα ούτε κλασικά σωματίδια, αποκτώντας τις ιδιότητες του πρώτου ή του δεύτερου μόνο σε κάποια προσέγγιση. Μεθοδολογικά πιο σωστή είναι η διατύπωση της κβαντικής θεωρίας μέσω ολοκληρωμάτων μονοπατιών (διαδότης), απαλλαγμένη από τη χρήση κλασικών εννοιών.
Εγκυκλοπαιδικό YouTube
-
1 / 5
Οποιοδήποτε υλικό αντικείμενο φυσικό κόσμοδιαθέτει τόσο σωματική (ενέργεια E (\displaystyle E), παρόρμηση p → (\displaystyle (\vec (p))), Ταχύτητα v → (\displaystyle (\vec (v)))σωματίδια) και κύμα (συχνότητα ω (\displaystyle \omega), διάνυσμα κύματος k → (\displaystyle (\vec (k)))κύματα de Broglie, ομαδική ταχύτητα v g r → (\displaystyle (\vec (v_(gr))))κύματα) ιδιότητες. Σχετίζονται μεταξύ τους με σχετικιστικά αμετάβλητες σχέσεις:
E = ℏ ω (\displaystyle E=\hbar \omega) p → = ℏ k → (\displaystyle (\vec (p))=\hbar (\vec (k)))Εδώ ℏ (\displaystyle \hbar)- Σταθερά του Πλανκ.
Σε αυτήν την περίπτωση, η ταχύτητα των σωματιδίων είναι ίση με την ταχύτητα ομάδας του κύματος de Broglie του αντίστοιχου κύματος:
v → = v g r → (\displaystyle (\vec (v))=(\vec (v_(gr))))Σε τετραδιάστατη μορφή, αυτοί οι τύποι συσχετίζουν την ενέργεια-ορμή τεσσάρων διανυσμάτων p μ (\displaystyle p^(\mu ))με τετραδιάστατο διάνυσμα κυμάτων και έχουν τη μορφή:
p μ = (p 0 p 1 p 2 p 3) = (E / c p x p y p z) = ℏ (ω / c k x k y k z) . (\displaystyle p^(\mu )=(\begin(pmatrix)p_(0)\\p_(1)\\p_(2)\\p_(3)\end(pmatrix))=(\begin(pmatrix )E/c\\p_(x)\\p_(y)\\p_(z)\end(pmatrix))=\hbar (\begin(pmatrix)\omega /c\\k_(x)\\k_ (y)\\k_(z)\end(pmatrix)).)Η ενέργεια και η ορμή οποιουδήποτε υλικού αντικειμένου σχετίζονται με τη σχέση:
E 2 c 2 = m 2 c 2 + p x 2 + p y 2 + p z 2 (\displaystyle (\frac (E^(2))(c^(2)))=m^(2)c^(2) +p_(x)^(2)+p_(y)^(2)+p_(z)^(2))Η συχνότητα και το διάνυσμα κύματος σχετίζονται με παρόμοια σχέση:
ω 2 c 2 = m 2 c 2 ℏ 2 + k x 2 + k y 2 + k z 2 (\displaystyle (\frac (\omega ^(2))(c^(2)))=(\frac (m^( 2)c^(2))(\hbar ^(2)))+k_(x)^(2)+k_(y)^(2)+k_(z)^(2))Ιστορία ανάπτυξης
Μπορούμε να πούμε ότι ένα ατομικό αντικείμενο έχει τη δυνατότητα να εκδηλωθεί, ανάλογα με τις εξωτερικές συνθήκες, είτε ως κύμα, είτε ως σωματίδιο, είτε με ενδιάμεσο τρόπο. Σε αυτήν την πιθανή δυνατότητα διαφόρων εκδηλώσεων ιδιοτήτων που είναι εγγενείς σε ένα μικροαντικείμενο συνίσταται ο δυϊσμός κύματος-σωματιδίου. Οποιαδήποτε άλλη, πιο κυριολεκτική, κατανόηση αυτού του δυϊσμού με τη μορφή κάποιου είδους μοντέλου είναι εσφαλμένη. Δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου του φωτός
Φαινόμενα όπως η παρεμβολή και η περίθλαση του φωτός παρέχουν πειστικές αποδείξεις για την κυματική φύση του φωτός. Ταυτόχρονα, οι νόμοι της ισορροπίας της θερμικής ακτινοβολίας, του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και του φαινομένου Compton μπορούν να ερμηνευθούν με επιτυχία από κλασική άποψη μόνο με βάση τις ιδέες για το φως ως ροή διακριτών φωτονίων. Ωστόσο, η κυματική και η σωματική μέθοδος περιγραφής του φωτός δεν έρχονται σε αντίθεση, αλλά αλληλοσυμπληρώνονται, αφού το φως έχει ταυτόχρονα και κυματικές και σωματικές ιδιότητες.
Οι κυματικές ιδιότητες του φωτός παίζουν καθοριστικό ρόλο στα μοτίβα της παρεμβολής, της περίθλασης, της πόλωσης και των σωματικών ιδιοτήτων του - στις διαδικασίες αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη. Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος του φωτός, τόσο μικρότερη είναι η ορμή και η ενέργεια του φωτονίου και τόσο πιο δύσκολο είναι να ανιχνευθούν οι σωματικές ιδιότητες του φωτός. Για παράδειγμα, το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο εμφανίζεται μόνο σε ενέργειες φωτονίων μεγαλύτερες ή ίσες με τη συνάρτηση εργασίας ενός ηλεκτρονίου από την ουσία. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια και η ορμή των φωτονίων και τόσο πιο δύσκολο είναι να ανιχνευθούν οι κυματικές ιδιότητες αυτής της ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, η ακτινοβολία ακτίνων Χ περιθλά μόνο σε ένα πολύ "λεπτό" πλέγμα περίθλασης - κρυσταλλικού πλέγματοςσυμπαγές σώμα. Το 1909, ο Άγγλος επιστήμονας Geoffrey Ingram Taylor πραγματοποίησε ένα πείραμα χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά ασθενή πηγή φωτός και διαπίστωσε ότι η κυματική συμπεριφορά είναι εγγενής σε μεμονωμένα φωτόνια.
Ο De Broglie κυματίζει
p = h 2 π k = ℏ k , (\displaystyle \mathbf (p) =(\frac (h)(2\pi ))\mathbf (k) =\hbar \mathbf (k) ,)Οπου k = 2 π λ n (\displaystyle \mathbf (k) =(\frac (2\pi )(\lambda ))\mathbf (n) )- διάνυσμα κύματος του οποίου το μέτρο k = 2 π λ (\displaystyle k=(\frac (2\pi )(\λάμδα )))- αριθμός κύματος - είναι ο αριθμός των μηκών κύματος που ταιριάζουν 2 π (\displaystyle 2\pi) μονάδες μήκους, n (\displaystyle \mathbf (n) )- μοναδιαίο διάνυσμα προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος, ℏ = h 2 π = 1, 05 ⋅ 10 − 34 (\displaystyle \hbar =(\frac (h)(2\pi ))=1(,)05\cdot 10^(-34)) J·s.
Ταχύτητα φάσης των κυμάτων de Broglie ενός ελεύθερου σωματιδίου
v f = ω k = E p = m c 2 m v = c 2 v ≃ c 2 h m λ = c 2 p 2 2 W h λ , (\displaystyle v_(f)=(\frac (\omega )(k))= (\frac (E)(p))=(\frac (mc^(2))(mv))=(\frac (c^(2))(v))\simeq (\frac (c^(2 ))(η)) m\λάμδα =(\frac (c^(2)p^(2))(2Wh))\λάμδα ,)Οπου ω = 2 π ν (\displaystyle \omega =2\pi \nu)- κυκλική συχνότητα, W (\displaystyle W)- κινητική ενέργεια ενός ελεύθερου σωματιδίου, E (\displaystyle E)- συνολική (σχετικιστική) ενέργεια του σωματιδίου, p = m v 1 − v 2 c 2 (\displaystyle p=(\frac (mv)(\sqrt (1-(\frac (v^(2))(c^(2)))))))- ορμή σωματιδίων, m (\displaystyle m), v (\displaystyle v)- η μάζα και η ταχύτητά του, αντίστοιχα, λ (\displaystyle \lambda)- μήκος του κύματος de Broglie. Οι τελευταίες σχέσεις είναι μια μη σχετικιστική προσέγγιση. Η εξάρτηση της ταχύτητας φάσης των κυμάτων de Broglie από το μήκος κύματος δείχνει ότι αυτά τα κύματα έχουν ίση ταχύτητα με το σωματίδιο v (\displaystyle v):
u = d ω d k = d E d p = v (\displaystyle u=(\frac (d\omega )(dk))=(\frac (dE)(dp))=v).Σχέση μεταξύ σωματιδιακής ενέργειας E (\displaystyle E)και συχνότητα ν (\displaystyle \nu)κύμα de Broglie, σύμφωνα με το οποίο τα σωματίδια πέφτουν σε ορισμένα σημεία στους δέκτες - όπου η ένταση του κύματος de Broglie είναι μεγαλύτερη. Τα σωματίδια δεν ανιχνεύονται σε εκείνα τα μέρη όπου, σύμφωνα με τη στατιστική ερμηνεία, το τετράγωνο του συντελεστή του πλάτους του «κύματος πιθανότητας» εξαφανίζεται.
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. Αργότερα, ο Maxwell ανακάλυψε ότι το φως είναι ένας τύπος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 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 οι ακόλουθες κανονικότητες: όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο πιο φωτεινές εμφανίζονται οι σωματικές ιδιότητες· όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος, τόσο πιο φωτεινές εμφανίζονται οι ιδιότητες 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 ασυμβίβαστες ως προς την ταυτόχρονη εκδήλωσή τους, ωστόσο χαρακτηρίζουν εξίσου το αντικείμενο, δηλ. αλληλοσυμπληρώνονται. Αυτή η ιδέα εκφράστηκε από τον N. Bohr και αποτέλεσε τη βάση της σημαντικότερης μεθοδολογικής αρχής της σύγχρονης επιστήμης, που σήμερα καλύπτει όχι μόνο Φυσικές Επιστήμεςαλλά και όλες οι 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 το πιο κοινό μυστήριο του κβαντικού κόσμου - τη 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 για τη θεωρία των κυμάτων. 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 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 κβαντική φυσική- εντελώς, απολύτως τυχαία συμπεριφορά της ύλης σε μικροεπίπεδο χωρίς κανένα λόγο (και στον κόσμο των μεγάλων ποσοτήτων μας, γνωρίζουμε εκ πείρας 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 εύρημα ενός σωματιδίου «παντού ταυτόχρονα» - μια τρομερή λέξη, που ήταν μια μαθηματική περιποίηση, τώρα έχει γίνει 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 μπορεί να ειπωθεί ότι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα ή ένα κύμα ηλεκτρονίων είναι σαν τα θαλάσσια κύματα ή τα 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...
