W ciągu ostatnich stu lat nauka poczyniła ogromne postępy w badaniu struktury naszego świata zarówno na poziomie mikroskopowym, jak i makroskopowym. Niesamowite odkrycia, jakie przynoszą nam szczególne i ogólne teorie względności oraz mechaniki kwantowej, wciąż ekscytują umysły opinii publicznej. Jednak ktokolwiek wykształcona osoba konieczne jest zrozumienie przynajmniej podstaw współczesnych osiągnięć naukowych. Jednym z najbardziej imponujących i ważnych punktów jest korpuskularny dualizm falowy. To paradoksalne odkrycie, którego zrozumienie wykracza poza zasięg intuicyjnej, codziennej percepcji.
Korpuskuły i fale
Dualizm po raz pierwszy odkryto w badaniu światła, które zachowywało się zupełnie inaczej w zależności od warunków. Z jednej strony okazało się, że światło jest optyczną falą elektromagnetyczną. Z drugiej strony dyskretna cząstka ( działanie chemiczne Swieta). Początkowo naukowcy uważali, że te dwie idee wzajemnie się wykluczają. Jednak liczne eksperymenty wykazały, że tak nie jest. Stopniowo rzeczywistość takiej koncepcji, jak dualizm korpuskularno-falowy, stała się powszechna. Koncepcja ta stanowi podstawę do badania zachowania złożonych obiektów kwantowych, które nie są ani falami, ani cząsteczkami, a jedynie nabywają właściwości tych drugich lub pierwszych w zależności od określonych warunków.
Eksperyment z podwójną szczeliną
Dyfrakcja fotonów - demonstracja wizualna dualizm. Detektorem cząstek naładowanych jest płyta fotograficzna lub ekran fluorescencyjny. Każdy pojedynczy foton został oznaczony przez oświetlenie lub rozbłysk punktowy. Połączenie takich znaków dało obraz interferencyjny – naprzemienność słabo i silnie oświetlonych pasków, co jest charakterystyczne dla dyfrakcji fal. Wyjaśnia to taka koncepcja, jak dualizm korpuskularno-falowy. Znany fizyk i laureat Nagrody Nobla Richard Feynman stwierdził, że materia zachowuje się w małych skalach w taki sposób, że nie da się odczuć „naturalności” zachowania kwantowego.
Uniwersalny dualizm
Doświadczenie to dotyczy jednak nie tylko fotonów. Okazało się, że dualizm jest właściwością całej materii i jest uniwersalny. Heisenberg argumentował, że materia istnieje naprzemiennie w obu formach. Dziś zostało całkowicie udowodnione, że obie właściwości pojawiają się całkowicie jednocześnie.
Fala korpuskularna
Jak możemy wyjaśnić to zachowanie materii? Fala właściwa korpuskułom (cząstkom) nazywa się falą de Broglie’a, nazwaną na cześć młodego arystokratycznego naukowca, który zaproponował rozwiązanie tego problemu. Powszechnie przyjmuje się, że równania de Broglie'a opisują funkcję falową, która podniesiona do kwadratu określa jedynie prawdopodobieństwo, że cząstka znajduje się w inny czas w różnych punktach przestrzeni. Mówiąc najprościej, fala de Broglie'a jest prawdopodobieństwem. W ten sposób ustalono równość pomiędzy pojęciem matematycznym (prawdopodobieństwem) a procesem rzeczywistym.
Pole kwantowe
Czym są korpuskuły materii? Ogólnie rzecz biorąc, są to kwanty pól falowych. Foton - kwant pole elektromagnetyczne, pozyton i elektron - elektron-pozyton, mezon - kwant pola mezonowego i tak dalej. Interakcję między polami falowymi tłumaczy się wymianą pewnych cząstek pośrednich między nimi, na przykład podczas oddziaływania elektromagnetycznego następuje wymiana fotonów. Z tego wynika bezpośrednio kolejne potwierdzenie, że procesy falowe opisane przez de Broglie są całkowicie realne zjawiska fizyczne. Dualizm cząstkowo-falowy nie działa jako „tajemnicza ukryta właściwość”, która charakteryzuje zdolność cząstek do „reinkarnacji”. Wyraźnie ukazuje dwa powiązane ze sobą działania – ruch obiektu i związany z nim proces falowy.
Efekt tunelu
Dualizm korpuskularno-falowy światła jest powiązany z wieloma innymi ciekawe zjawiska. Kierunek działania fali de Broglie'a pojawia się podczas tzw. efektu tunelowego, czyli gdy fotony przenikają przez barierę energetyczną. Zjawisko to spowodowane jest tym, że pęd cząstki przekracza wartość średnią w momencie przeciwwęzła fali. Tunelowanie umożliwiło rozwój wielu urządzeń elektronicznych.
Interferencja kwantów świetlnych
Współczesna nauka mówi o interferencji fotonów w ten sam tajemniczy sposób, co o interferencji elektronów. Okazuje się, że foton, będący cząstką niepodzielną, może jednocześnie przejść dowolną otwartą dla siebie drogą i interferować ze sobą. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że dualizm falowo-cząsteczkowy właściwości materii i fotonu jest falą pokrywającą wiele elementy konstrukcyjne, to jego podzielność nie jest wykluczona. Zaprzecza to wcześniejszym poglądom na cząstkę jako elementarną, niepodzielną formację. Posiadając pewną masę ruchu, foton tworzy związaną z tym ruchem falę podłużną, która poprzedza samą cząstkę, ponieważ prędkość fali podłużnej jest większa niż prędkość poprzecznej fali elektromagnetycznej. Dlatego istnieją dwa wyjaśnienia interferencji fotonu ze sobą: cząstka zostaje rozdzielona na dwie części, które wzajemnie zakłócają się; Fala fotonowa rozchodzi się dwiema drogami i tworzy wzór interferencyjny. Eksperymentalnie odkryto, że wzór interferencyjny powstaje także wtedy, gdy przez interferometr przepuszczane są kolejno pojedyncze naładowane cząstki-fotony. Potwierdza to tezę, że każdy pojedynczy foton interferuje sam ze sobą. Szczególnie wyraźnie widać to, gdy weźmie się pod uwagę fakt, że światło (ani spójne, ani monochromatyczne) to zbiór fotonów, które są emitowane przez atomy w procesach wzajemnie powiązanych i losowych.
Czym jest światło?
Fala świetlna to niezlokalizowane pole elektromagnetyczne rozprzestrzeniające się w przestrzeni. Pole elektromagnetyczne fali ma wolumetryczną gęstość energii proporcjonalną do kwadratu amplitudy. Oznacza to, że gęstość energii może zmieniać się o dowolną wielkość, czyli ma charakter ciągły. Z jednej strony światło jest strumieniem kwantów i fotonów (cząsteczek), które dzięki uniwersalności takiego zjawiska jak dualizm cząstkowo-falowy reprezentują właściwości fali elektromagnetycznej. Na przykład w zjawiskach interferencji i dyfrakcji oraz łusek światło wyraźnie wykazuje cechy fali. Na przykład pojedynczy foton, jak opisano powyżej, przechodząc przez podwójną szczelinę, tworzy wzór interferencyjny. Za pomocą eksperymentów udowodniono, że pojedynczy foton nie jest impulsem elektromagnetycznym. Nie da się go podzielić na wiązki za pomocą rozdzielaczy wiązek, jak pokazali francuscy fizycy Aspe, Roger i Grangier.
Światło ma również właściwości korpuskularne, które objawiają się efektem Comptona i efektem fotoelektrycznym. Foton może zachowywać się jak cząstka, która jest całkowicie pochłaniana przez obiekty, których wymiary są znacznie mniejsze niż długość fali (na przykład jądro atomowe). W niektórych przypadkach fotony można ogólnie uznać za obiekty punktowe. Nie ma znaczenia, z jakiego stanowiska rozważamy właściwości światła. W polu widzenia barw strumień światła może działać zarówno jako fala, jak i cząsteczka-foton jako kwant energii. Plamka skupiona na fotoreceptorze siatkówki, takim jak błona stożkowa, może pozwolić oku na utworzenie własnej przefiltrowanej wartości jako głównych promieni widmowych światła i posortować je według długości fal. Zgodnie z wartościami energii kwantowej, w mózgu punkt obiektu zostanie przełożony na wrażenie koloru (skoncentrowany obraz optyczny).
Dualizm falowo-cząsteczkowy światła oznacza, że światło ma jednocześnie właściwości ciągłych fal elektromagnetycznych i właściwości dyskretnych fotonów. Ten fundamentalny wniosek został wysunięty przez fizyków w XX wieku i wynikał z wcześniejszych poglądów na temat światła. Newton uważał, że światło to strumień ciałek, czyli strumień cząstek materii lecących po linii prostej. Teoria ta dobrze wyjaśnia prostoliniową propagację światła. Pojawiły się jednak trudności w wyjaśnieniu praw odbicia i załamania światła, a zjawisk dyfrakcji i interferencji w ogóle nie można było wyjaśnić za pomocą teorii korpuskularnej. Dlatego powstała falowa teoria światła. Teoria ta wyjaśniała dyfrakcję i interferencję, ale miała trudności z wyjaśnieniem światła prostego. Dopiero w XIX wieku J. Fresnelowi, korzystając z odkryć innych fizyków, udało się połączyć wyprowadzone już zasady w jedną teorię, według której światło jest poprzeczną falą mechaniczną. Maxwell odkrył później, że jednym z typów jest światło promieniowanie elektromagnetyczne. Jednak na początku XX wieku, dzięki odkryciom Einsteina, poglądy na temat światła ponownie się zmieniły. Światło zaczęto rozumieć jako strumień fotonów. Jednak pewne właściwości światła zostały doskonale wyjaśnione przez teorię fal. Światło ma zarówno właściwości korpuskularne, jak i falowe. W tym przypadku istnieją następujące wzorce: im krótsza długość fali, tym jaśniejsze przejawy właściwości korpuskularne, im dłuższa długość fali, tym jaśniejsze są właściwości fali.
Według de Broglie’a każdy mikroobiekt jest powiązany z jednej strony z charakterystyką korpuskularną – energią E i pędem p, z drugiej zaś z charakterystyką falową – częstotliwością i długością fali.
W 1924 roku francuski fizyk L. de Broglie postawił odważną hipotezę: dualizm falowo-cząsteczkowy ma charakter uniwersalny, tj. wszystkie cząstki posiadające skończony pęd P mają właściwości falowe. Tak to wyglądało w fizyce słynna formuła de Broglie, gdzie m jest masą cząstki, V jest jej prędkością, h jest stałą Plancka.
Więc, właściwości korpuskularne i falowe mikroobiektu są nie do pogodzenia ze względu na ich jednoczesne manifestowanie się, jednakże są na równi scharakteryzować obiekt, tj. wzajemnie się uzupełniają. Ideę tę wyraził N. Bohr i stworzył on podstawę najważniejszej zasady metodologicznej współczesnej nauki, która obejmuje obecnie nie tylko nauki fizyczne, ale także całe nauki przyrodnicze - zasada komplementarności (1927). Esencja Zasada komplementarności według N. Bohra sprowadza się do tego, co następuje: bez względu na to, jak daleko zjawiska wychodzą poza klasyczne wyjaśnienia fizyczne, wszystkie dane eksperymentalne muszą być opisane przy użyciu klasycznych pojęć. Dla pełny opis zjawisk mechaniki kwantowej konieczne jest zastosowanie dwóch wzajemnie wykluczających się (dodatkowych) zbiorów klasycznych pojęć, których połączenie daje najwięcej pełna informacja o tych zjawiskach jako o charakterze całościowym.
Zasada komplementarności ogólna zasada wiedzę można sformułować następująco: każde prawdziwe zjawisko przyrodnicze nie daje się jednoznacznie zdefiniować słowami naszego języka i wymaga do jego zdefiniowania co najmniej dwóch, wzajemnie wykluczających się, dodatkowych pojęć. Do zjawisk takich zaliczają się np. zjawiska kwantowe, życie, psychika itp. Bohr w szczególności widział potrzebę stosowania zasady komplementarności w biologii, co wynika niezwykle złożona struktura i funkcje organizmów żywych, które zapewniają im niemal niewyczerpane ukryte możliwości.
Jeśli myślałeś, że odeszliśmy w zapomnienie z naszymi oszałamiającymi tematami, śpieszymy Cię rozczarować i uszczęśliwić: myliłeś się! Tak naprawdę przez cały ten czas próbowaliśmy znaleźć akceptowalną metodę przedstawiania szalonych tematów związanych z paradoksami kwantowymi. Napisaliśmy kilka wersji roboczych, ale wszystkie zostały wyrzucone na zimno. Bo jeśli chodzi o wyjaśnianie dowcipów o kwantach, sami jesteśmy zdezorientowani i przyznajemy, że niewiele rozumiemy (a w ogóle niewiele osób rozumie tę kwestię, łącznie z fajnymi naukowcami na świecie). Niestety, świat kwantowy jest tak obcy światopoglądowi filistyńskiemu, że wcale nie jest wstydem przyznać się do nieporozumienia i spróbować trochę razem zrozumieć przynajmniej podstawy.
I choć jak zwykle postaramy się jak najdokładniej porozmawiać obrazami z Google, niedoświadczony czytelnik będzie potrzebował wstępnego przygotowania, dlatego polecamy zapoznać się z naszymi poprzednimi tematami, szczególnie dotyczącymi kwantów i materii.
Specjalnie dla humanistów i innych zainteresowanych - paradoksy kwantowe. Część 1.
W tym temacie porozmawiamy o najczęstszej zagadce świat kwantowy- dualizm korpuskularno-falowy. Kiedy mówimy „najzwyklejszy”, mamy na myśli, że fizycy byli już tym tak zmęczeni, że nie wydaje się to nawet tajemnicą. Ale to wszystko dlatego, że inne paradoksy kwantowe są jeszcze trudniejsze do zaakceptowania dla przeciętnego umysłu.
I było tak. W starych, dobrych czasach, gdzieś w połowie XVII wieku, Newton i Huygens nie zgadzali się co do istnienia światła: Newton bezwstydnie oświadczył, że światło jest strumieniem cząstek, a stary Huygens próbował udowodnić, że światło jest falą. Newton był jednak bardziej autorytatywny, więc jego stwierdzenie na temat natury światła uznano za prawdziwe, a Huygensa wyśmiano. Przez dwieście lat światło uważano za strumień nieznanych cząstek, których naturę mieli nadzieję pewnego dnia odkryć.
Na początku XIX wieku orientalista Thomas Young zajmował się instrumentami optycznymi – w rezultacie podjął i przeprowadził eksperyment, który obecnie nazywa się eksperymentem Younga, a każdy fizyk uważa ten eksperyment za święty.
Thomas Young po prostu skierował wiązkę światła (tego samego koloru, tak aby częstotliwość była w przybliżeniu taka sama) przez dwie szczeliny w płycie i umieścił za nią kolejną płytkę ekranującą. I pokazał wynik swoim kolegom. Gdyby światło było strumieniem cząstek, wówczas w tle widzielibyśmy dwa jasne paski.
Ale niestety świat naukowy na ekranie płyty pojawiła się seria ciemnych i jasnych pasków. Powszechnym zjawiskiem zwanym interferencją jest superpozycja dwóch (lub większej liczby fal) jedna na drugiej.
Swoją drogą to właśnie dzięki interferencji obserwujemy tęczowe odcienie na plamie oleju czy bańce mydlanej.
Innymi słowy, Thomas Young eksperymentalnie udowodnił, że światło jest falą. Świat naukowy przez długi czas nie chciał wierzyć Jungowi, a pewnego razu był tak krytykowany, że nawet porzucił swoje pomysły teoria fal. Ale wiara w ich słuszność nadal zwyciężyła i naukowcy zaczęli uważać światło za falę. To prawda, fala czego - to była tajemnica.
Tutaj, na zdjęciu, jest stary, dobry eksperyment Junga.
Trzeba powiedzieć, że falowa natura światła nie miała większego wpływu na fizykę klasyczną. Naukowcy przepisali formuły i zaczęli wierzyć, że wkrótce cały świat padnie im do stóp pod jedną uniwersalną receptą na wszystko.
Ale już się domyślacie, że Einstein jak zawsze wszystko zrujnował. Problem pojawił się z drugiej strony - początkowo naukowcy pomylili się w obliczaniu energii fal termicznych i odkryli pojęcie kwantów (koniecznie przeczytaj o tym w naszym odpowiednim temacie „”). A potem za pomocą tych samych kwantów Einstein zadał cios fizyce, wyjaśniając zjawisko efektu fotoelektrycznego.
W skrócie: efekt fotoelektryczny (jednym ze skutków, którego jest naświetlanie kliszy) polega na wybijaniu elektronów z powierzchni niektórych materiałów przez światło. Technicznie rzecz biorąc, to wybijanie zachodzi tak, jakby światło było cząstką. Einstein nazwał cząstkę światła kwantem światła, a później nadano jej nazwę – foton.
W 1920 roku dodano antyfalową teorię światła niesamowity efekt Compton: kiedy elektron jest bombardowany fotonami, foton odbija się od elektronu ze stratą energii („strzelamy” na niebiesko, ale czerwony odlatuje), jak kula bilardowa od drugiej. Compton otrzymał za to Nagrodę Nobla.
Tym razem fizycy nie chcieli po prostu porzucić falowej natury światła, zamiast tego intensywnie się nad tym zastanawiali. Nauka staje w obliczu przerażającej tajemnicy: czy światło jest falą czy cząstką?
Światło, jak każda fala, ma częstotliwość - i łatwo to sprawdzić. Widzimy różne kolory, ponieważ każdy kolor to po prostu inna częstotliwość fali elektromagnetycznej (świetlnej): czerwony to niska częstotliwość, fioletowy to wysoka częstotliwość.
Ale to niesamowite: długość fali światła widzialnego jest pięć tysięcy razy większa od wielkości atomu - jak taka „rzecz” mieści się w atomie, gdy atom pochłania tę falę? Gdyby tylko foton był cząstką porównywalną wielkością do atomu. Czy foton jest jednocześnie duży i mały?
Ponadto efekt fotoelektryczny i efekt Comptona wyraźnie dowodzą, że światło jest w dalszym ciągu strumieniem cząstek: nie da się wytłumaczyć, w jaki sposób fala przekazuje energię elektronom zlokalizowanym w przestrzeni – gdyby światło było falą, to część elektronów zostałaby później wybita od innych i zjawiska Nie zaobserwowalibyśmy efektu fotoelektrycznego. Ale w przypadku przepływu pojedynczy foton zderza się z pojedynczym elektronem i pod pewnymi warunkami wybija go z atomu.
W rezultacie zdecydowano: światło jest zarówno falą, jak i cząstką. A raczej ani jedno, ani drugie, ale nowa, nieznana wcześniej forma istnienia materii: obserwowane przez nas zjawiska są jedynie projekcjami lub cieniami rzeczywistego stanu rzeczy, w zależności od tego, jak spojrzeć na to, co się dzieje. Kiedy patrzymy na cień walca oświetlony z jednej strony, widzimy okrąg, a oświetlony z drugiej strony widzimy cień prostokątny. Podobnie jest z cząsteczkową reprezentacją światła.
Ale nawet tutaj nie wszystko jest łatwe. Nie możemy powiedzieć, że uważamy światło za falę lub strumień cząstek. Wyjrzyj przez okno. Nagle, nawet w czysto umytym szkle, widzimy własne odbicie, choć niewyraźne. Jaki jest haczyk? Jeżeli światło jest falą, to łatwo wytłumaczyć odbicie w oknie – podobne efekty na wodzie widzimy, gdy fala odbija się od przeszkody. Ale jeśli światło jest strumieniem cząstek, to odbicia nie da się tak łatwo wyjaśnić. W końcu wszystkie fotony są takie same. Jeśli jednak wszystkie są takie same, to bariera w postaci szyby okiennej powinna działać na nie tak samo. Albo wszystkie przechodzą przez szybę, albo wszystkie odbijają się. I w brutalna rzeczywistość Część fotonów przelatuje przez szybę, a my widzimy sąsiedni dom i od razu obserwujemy swoje odbicie.
I jedyne wyjaśnienie, jakie przychodzi na myśl: fotony istnieją same w sobie. Nie da się przewidzieć ze stuprocentowym prawdopodobieństwem, jak zachowa się konkretny foton – czy zderzy się ze szkłem w postaci cząstki, czy też fali. To jest podstawa fizyki kwantowej - całkowicie, absolutnie losowe zachowanie materii na poziomie mikro, bez żadnej przyczyny (a w naszym świecie wielkich ilości wiemy z doświadczenia, że wszystko ma swoją przyczynę). Jest to doskonały generator liczb losowych, w przeciwieństwie do rzutu monetą.
Genialny Einstein, który odkrył foton, do końca życia był przekonany, że fizyka kwantowa się myli, i zapewniał wszystkich, że „Bóg nie gra w kości”. Ale nowoczesna nauka coraz więcej potwierdza: nadal gra.
Tak czy inaczej, pewnego dnia naukowcy postanowili zakończyć debatę na temat „fali czy cząstek” i odtworzyć doświadczenie Junga, biorąc pod uwagę technologie XX wieku. Do tego czasu nauczyli się strzelać fotony pojedynczo (generatory kwantowe, znane wśród populacji jako „lasery”), dlatego postanowiono sprawdzić na ekranie, co by się stało, gdyby wystrzelić jedną cząstkę w dwie szczeliny: w końcu stanie się jasne, czym jest materia w kontrolowanych warunkach eksperymentalnych.
I nagle - pojedynczy kwant światła (foton) pokazał wzór interferencyjny, czyli cząstka przeleciała przez obie szczeliny jednocześnie, foton interferował sam ze sobą (jeśli mówimy język naukowy). Wyjaśnijmy kwestię techniczną - w rzeczywistości obraz interferencyjny został pokazany nie przez jeden foton, ale przez serię strzałów na jedną cząstkę w odstępach 10 sekund - z biegiem czasu pojawiły się prążki Younga, znane każdemu studentowi C od 1801 roku ekran.
Z punktu widzenia fali jest to logiczne – fala przechodzi przez pęknięcia, a teraz dwie nowe fale rozchodzą się w koncentrycznych okręgach, nakładając się na siebie.
Ale z korpuskularnego punktu widzenia okazuje się, że foton przechodząc przez szczeliny znajduje się w dwóch miejscach jednocześnie, a po przejściu przez szczeliny miesza się ze sobą. To generalnie normalne, prawda?
Okazało się, że to normalne. Co więcej, skoro foton znajduje się w dwóch szczelinach jednocześnie, oznacza to, że znajduje się jednocześnie wszędzie zarówno przed szczelinami, jak i po przelocie przez nie. I ogólnie, z punktu widzenia fizyki kwantowej, foton wypuszczony pomiędzy początkiem a metą jest jednocześnie „wszędzie i na raz”. Fizycy nazywają taką cząstkę superpozycją „wszędzie na raz” - straszne słowo, które kiedyś było matematyczną pobłażliwością, stało się teraz fizyczną rzeczywistością.
Niejaki E. Schrödinger, znany przeciwnik fizyki kwantowej, wykopał już gdzieś wzór opisujący falowe właściwości materii, np. wody. I po małych majsterkach, ku mojemu przerażeniu, wydedukowałem tak zwaną funkcję falową. Funkcja ta pokazywała prawdopodobieństwo znalezienia fotonu w określonym miejscu. Należy pamiętać, że jest to prawdopodobieństwo, a nie dokładna lokalizacja. A prawdopodobieństwo to zależało od kwadratu wysokości grzbietu fali kwantowej w danym miejscu (jeśli kogoś interesują szczegóły).
Osobny rozdział poświęcimy zagadnieniom pomiaru położenia cząstek.
Dalsze odkrycia pokazały, że rzeczy z dualizmem są jeszcze gorsze i bardziej tajemnicze.
W 1924 roku niejaki Louis de Broglie stwierdził, że falowo-korpuskularne właściwości światła to wierzchołek góry lodowej. A wszystkie cząstki elementarne mają tę niezrozumiałą właściwość.
Oznacza to, że cząstka i fala jednocześnie to nie tylko cząstki pola elektromagnetycznego (fotony), ale także cząstki rzeczywiste, takie jak elektrony, protony itp. Cała materia wokół nas na poziomie mikroskopowym to fale(i cząstki jednocześnie).
A kilka lat później zostało to nawet potwierdzone eksperymentalnie - Amerykanie wprowadzili elektrony do lamp elektronopromieniowych (które dzisiejszym starym pierdołom znane są pod nazwą "kineskop") - i tak obserwacje związane z odbiciem elektronów potwierdziły, że elektron jest także falą (dla ułatwienia można powiedzieć, że na drodze elektronu umieścili płytkę z dwiema szczelinami i zobaczyli interferencję elektronu taką, jaka jest).
Dotychczasowe eksperymenty wykazały, że atomy również mają właściwości falowe, a nawet niektóre specjalne typy cząsteczek (tzw. „fullereny”) manifestują się jako fale.
Dociekliwy umysł czytelnika, którego jeszcze nie zdumiała nasza historia, zapyta: jeśli materia jest falą, to dlaczego na przykład lecąca kula nie jest rozmazana w przestrzeni w postaci fali? Dlaczego samolot odrzutowy wcale nie przypomina fali, ale jest do niego bardzo podobny?
De Broglie, diabeł, wszystko tu wyjaśnił: tak, latająca piłka czy Boeing to też fala, ale długość tej fali jest tym krótsza, im większy jest impuls. Pęd to masa razy prędkość. To znaczy, niż więcej masy materii, tym krótsza jest jej długość fali. Długość fali piłki lecącej z prędkością 150 km/h będzie wynosić w przybliżeniu 0,00 metra. Dlatego nie jesteśmy w stanie zauważyć, jak kula rozprzestrzenia się w przestrzeni jako fala. Dla nas jest to materia stała.
Elektron jest bardzo lekką cząstką i lecąc z prędkością 6000 km/s, będzie miał zauważalną długość fali 0,0000000001 metra.
Nawiasem mówiąc, od razu odpowiedzmy na pytanie, dlaczego jądro atomowe nie jest tak „falowe”. Choć znajduje się w centrum atomu, wokół którego elektron krąży szaleńczo i jednocześnie jest rozmazany, to ma przyzwoity pęd związany z masą protonów i neutronów, a także oscylacją (prędkością) o wysokiej częstotliwości spowodowaną na istnienie stałej wymiany cząstek wewnątrz jądra silne oddziaływanie (przeczytaj temat). Dlatego rdzeń bardziej przypomina materię stałą, którą znamy. Najwyraźniej elektron jest jedyną cząstką o masie, która ma wyraźnie wyrażone właściwości falowe, więc wszyscy badają go z zachwytem.
Wróćmy do naszych cząstek. Okazuje się więc, że elektron obracający się wokół atomu jest zarówno cząstką, jak i falą. Oznacza to, że cząstka obraca się, a jednocześnie elektron jako fala reprezentuje powłokę o określonym kształcie wokół jądra - jak może to w ogóle zrozumieć ludzki mózg?
Wyliczyliśmy już powyżej, że latający elektron ma dość dużą (jak na mikrokosmos) długość fali, a żeby zmieścić się wokół jądra atomu, taka fala potrzebuje nieprzyzwoicie dużej ilości miejsca. To właśnie wyjaśnia tak duże rozmiary atomów w porównaniu do jądra. Długości fal elektronu określają wielkość atomu. Pustą przestrzeń pomiędzy jądrem a powierzchnią atomu wypełnia „akomodacja” długości fali (i jednocześnie cząstki) elektronu. To bardzo prymitywne i błędne wyjaśnienie - proszę nam wybaczyć - w rzeczywistości wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane, ale naszym celem jest przynajmniej umożliwienie osobom zainteresowanym tym wszystkim odgryzienia kawałka granitu nauki.
Wyjaśnijmy sobie jeszcze raz! Po kilku komentarzach do artykułu [w YP] zdaliśmy sobie sprawę, jak ważnego punktu brakowało w tym artykule. Uwaga! Forma materii, którą opisujemy, nie jest ani falą, ani cząstką. Ma jedynie (jednocześnie) właściwości fali i właściwości cząstek. Nie możesz tego powiedzieć fala elektromagnetyczna lub fale elektronowe są podobne do fal morskich lub dźwiękowych. Znane nam fale reprezentują propagację zaburzeń w przestrzeni wypełnionej jakąś substancją.
Fotony, elektrony i inne instancje mikrokosmosu poruszające się w przestrzeni można opisać równaniami falowymi; ich zachowanie jest PODOBNE jedynie do fali, ale w żadnym wypadku nie są falą. Podobnie jest z korpuskularną strukturą materii: zachowanie cząstki przypomina lot małych punktowych kulek, tyle że nigdy nie są to kulki.
Trzeba to zrozumieć i zaakceptować, w przeciwnym razie wszystkie nasze myśli ostatecznie doprowadzą do poszukiwania analogii w makrokosmosie, a tym samym dobiegnie końca rozumienie fizyki kwantowej, a zacznie się friaryzm lub filozofia szarlatańska, taka jak magia kwantowa i materialność myśli.
Pozostałe przerażające wnioski i konsekwencje unowocześnionego eksperymentu Junga rozważymy w dalszej części następnej części - niepewność Heisenberga, kot Schrödingera, zasada wykluczenia Pauliego i splątanie kwantowe czekają na cierpliwego i uważnego czytelnika, który będzie czytał nasze artykuły wielokrotnie i szperał przez Internet w poszukiwaniu dodatkowych informacji.
Dziękuję wszystkim za uwagę. Życzę wszystkim szczęśliwej bezsenności lub koszmarów poznawczych!
Uwaga: Przypominamy, że wszystkie zdjęcia pochodzą z Google (wyszukiwanie po obrazach) i tam określa się ich autorstwo.
Nielegalne kopiowanie tekstu jest ścigane i tłumione, no cóż, wiadomo...
Mikrocząstki mają zatem niezwykłe właściwości. Mikrocząstki – są to cząstki elementarne(elektrony, protony, neutrony itp.), jak również cząstki złożone,utworzone z niewielkiej liczby elementarnych(Do widzenia niepodzielny) cząsteczki(atomy, cząsteczki, jądra atomowe). Nazywając te mikrocząstki cząsteczkami, podkreślamy tylko jedną stronę; bardziej poprawne byłoby nazwanie „ fala cząsteczkowa».
Mikrocząsteczki nie są w stanie bezpośrednio oddziaływać na nasze zmysły – nie można ich zobaczyć ani dotknąć. Wiemy, co stanie się z dużym obiektem; ale właśnie tak mikrocząsteczki nie działają! Dlatego też przy ich badaniu należy sięgać do różnego rodzaju abstrakcji. , rozwiń swoją wyobraźnię i nie próbujpołączyć je z naszym bezpośrednim doświadczeniem.
Do Fizyka kwantowa Zrozumienie oznacza utworzenie wizualnego obrazu obiektu lub procesu. W fizyce kwantowej nie można tak myśleć. Każdy model wizualny będzie działał zgodnie z klasycznymi prawami i dlatego nie nadaje się do reprezentowania procesów kwantowych. Takim przedstawieniem jest na przykład obrót elektronu na orbicie wokół atomu. To jest hołd fizyka klasyczna i nie odpowiada prawdziwemu stanowi rzeczy, nie odpowiada prawom kwantowym.
Fale Louisa de Broglie, które rozważaliśmy, nie są elektromagnetyczny, są to fale o szczególnym charakterze.
Obliczmy długość fali de Broglie'a piłki o masie 0,20 kg poruszającej się z prędkością 15 m/s.
| . | (3.3.1) |
Jest to wyjątkowo krótka długość fali. Nawet przy bardzo małych prędkościach, powiedzmy m/s, długość fali de Broglie'a będzie wynosić około m. Długość fali de Broglie'a normalnego ciała jest zbyt mała, aby można ją było wykryć i zmierzyć. Faktem jest, że typowe właściwości fali – interferencja i dyfrakcja – pojawiają się tylko wtedy, gdy rozmiary obiektów lub szczelin są porównywalne pod względem wielkości z długością fali. Nie znamy jednak obiektów i szczelin, na których mogłyby ugiąć się fale o długości fali λ, dlatego nie można wykryć właściwości falowych zwykłych ciał.
Inaczej wygląda sprawa, jeśli mówimy o cząstkach elementarnych, takich jak elektrony. Ponieważ masa jest zawarta w mianowniku wzoru 3.3.1, który określa długość fali de Broglie’a, bardzo mała masa odpowiada dużej długości fali.
Wyznaczmy długość fali de Broglie'a elektronu przyspieszanego różnicą potencjałów 100 V.
SM,
Z powyższego przykładu widać, że elektron może odpowiadać długości fali rzędu . Chociaż to bardzo krótkie fale, można je wykryć eksperymentalnie: odległości międzyatomowe w krysztale tego samego rzędu wielkości () i regularnie rozmieszczone atomy w krysztale można wykorzystać jako siatka dyfrakcyjna podobnie jak w przypadku promieni rentgenowskich. Jeśli więc hipoteza Louisa de Broglie jest prawdziwa, to – jak zauważył Einstein – dla elektronów należy zaobserwować zjawisko dyfrakcji.
Zróbmy sobie chwilę przerwy i przeprowadźmy eksperyment myślowy. Skierujmy równoległą wiązkę elektronów monoenergetycznych (tj. mających tę samą energię kinetyczną) na przeszkodę z dwiema wąskimi szczelinami (rys. 3.6), a za przeszkodą umieść kliszę fotograficzną (FP).
| A | B | V |
Najpierw zamknij drugą szczelinę i naświetlaj przez pewien czas T. Czernienie na obrabianym FP będzie charakteryzowane przez krzywą 1, ryc. 3.6, ur. Następnie zamykamy pierwszą szczelinę i naświetlamy drugą kliszę fotograficzną. Charakter czernienia jest w tym przypadku przenoszony przez krzywą 2 (ryc. 3.6, b). Na koniec otwórz obie szczeliny i naświetlaj przez pewien czas T trzeci talerz. Uzyskany w tym drugim przypadku wzór czernienia pokazano na ryc. 3.6, ok. Obraz ten w żadnym wypadku nie jest równoznaczny z sytuacją dwóch pierwszych. W jaki sposób otwarcie drugiej szczeliny może wpłynąć na elektrony, które najwyraźniej przeszły przez drugą szczelinę? Powstały obraz (ryc. 3.6, c) okazuje się podobny do obrazu uzyskanego w wyniku interferencji dwóch spójnych fal świetlnych. Charakter obrazu wskazuje, że na ruch każdego elektronu wpływają obie dziury. Wniosek ten jest niezgodny z koncepcją trajektorii. Gdyby elektron znajdował się w danym momencie w określonym punkcie przestrzeni i poruszał się po trajektorii, przeszedłby przez określoną dziurę – pierwszą lub drugą. Zjawisko dyfrakcji dowodzi, że w przejściu każdego elektronu biorą udział obie dziury – pierwsza i druga.
Zatem, dyfrakcja elektronów i innych mikrocząstek dowodzi słuszności hipotezy Louisa de Broglie i potwierdza dualizm falowo-cząsteczkowy mikrocząstek materii .
39. Dualizm falowo-cząsteczkowy właściwości materii.
Dualizm cząstkowo-falowy właściwości promieniowania EM. Oznacza to, że naturę światła można rozpatrywać z dwóch stron: z jednej strony jest to fala, której właściwości przejawiają się w prawach propagacji światła, interferencji, dyfrakcji, polaryzacji. Z drugiej strony światło to strumień cząstek, które mają energię i pęd. Korpuskularne właściwości światła przejawiają się w procesach oddziaływania światła z materią (efekt fotoelektryczny, efekt Comptona).
Analizując można zrozumieć, że im dłuższa długość fali l, im niższa energia (od E = hс/l), im mniejszy pęd, tym trudniej jest wykryć właściwości kwantowe światła.
Im mniejsze l => większa energia E fotonu, tym trudniej jest wykryć właściwości falowe światła.
Zależność między właściwościami podwójnej fali cząsteczkowej światła można wyjaśnić, jeśli do rozważenia wzorców rozkładu światła zastosuje się podejście statystyczne.
Na przykład dyfrakcja światła na szczelinie: gdy światło przechodzi przez szczelinę, fotony są ponownie rozprowadzane w przestrzeni. Ponieważ prawdopodobieństwo trafienia fotonu w różne punkty na ekranie nie jest takie samo, pojawia się obraz dyfrakcyjny. Oświetlenie ekranu (liczba padających na niego fotonów) jest proporcjonalne do prawdopodobieństwa trafienia fotonu w ten punkt. Z drugiej strony oświetlenie ekranu jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy fali I~E 2 . Dlatego kwadrat amplitudy fali świetlnej w danym punkcie przestrzeni jest miarą prawdopodobieństwa uderzenia fotonu w ten punkt przestrzeni.
44. Równanie Schrödingera dla stanów stacjonarnych.
Równanie (217,5) zwane równaniem Schrödingera dla stanów stacjonarnych. Równanie to uwzględnia energię całkowitą jako parametr mi cząsteczki. W teorii równań różniczkowych udowodniono, że równania takie mają nieskończoną liczbę rozwiązań, z których narzucając warunki brzegowe, wybiera się rozwiązania, które mają znaczenie fizyczne. Dla równania Schrödingera takie warunki są warunkami regularności funkcji falowych: funkcje falowe muszą być skończone, jednowartościowe i ciągłe wraz z ich pierwszymi pochodnymi. Zatem tylko te rozwiązania, które są wyrażone funkcjami regularnymi, mają prawdziwe znaczenie fizyczne Ale rozwiązania regularne nie mają miejsca dla żadnych wartości parametru E, o tylko dla pewnego ich zestawu, charakterystycznego dla danego zadania. Te wartości energetyczne nazywane są własny. Rozwiązania, które odpowiadają własny nazywane są wartościami energetycznymi własne funkcje. Wartości własne mi mogą tworzyć ciągłą lub dyskretną serię. W pierwszym przypadku mówimy ciągły, Lub widmo ciągłe w sekundę - o widmie dyskretnym.
40. Fale De Broglie'a i ich właściwości.
De Broglie argumentował, że nie tylko fotony, ale także elektrony i wszelkie inne cząstki materii, w tym cząstki korpuskularne, również mają właściwości falowe. Tak więc, według de Broglie, z każdy mikroobiekt z jednej strony są ze sobą powiązane korpuskularny charakterystyka - energia mi i pęd R, a z drugiej - charakterystyka fal- częstotliwość v i długość fali DO. Zależności ilościowe łączące właściwości korpuskularne i falowe cząstek są takie same jak dla fotonów: mi= hv, P= H/ . (213.1) Śmiałość hipotezy de Broglie'a polegała właśnie na tym, że zależność (213.1) postulowano nie tylko dla fotonów, ale także dla innych mikrocząstek, w szczególności tych, które posiadają masę spoczynkową. Zatem każda cząstka posiadająca pęd jest powiązana z procesem falowym o określonej długości fali zgodnie ze wzorem de Broglie’a: = H/ P. (213.2) Zależność ta obowiązuje dla każdej cząstki posiadającej pęd R. Wkrótce hipoteza de Broglie została potwierdzona eksperymentalnie. (K. Davisson, L. Germer) odkryli, że wiązka elektronów rozproszona z naturalnej siatki dyfrakcyjnej – kryształu niklu – daje wyraźny obraz dyfrakcyjny. Maksima dyfrakcyjne odpowiadały wzorowi Wulffa-Bragga (182,1), a długość fali Bragga okazała się dokładnie równa długości fali obliczonej ze wzoru (213,2). Następnie wzór de Broglie został potwierdzony eksperymentami P. S. Tartakovsky'ego i G. Thomsona, którzy zaobserwowali wzór dyfrakcyjny, gdy wiązka szybkich elektronów (energia 50 keV) przechodziła przez metalową folię (grubość 1 μm). Ponieważ wzór dyfrakcyjny badano dla przepływu elektronów, konieczne było udowodnienie, że właściwości falowe są nieodłącznie związane nie tylko z przepływem dużego zbioru elektronów, ale także z każdym elektronem z osobna. Zostało to eksperymentalnie potwierdzone w 1948 roku. Fizyk radziecki VA Fabrikant (ur. 1907). Pokazał, że nawet w przypadku tak słabej wiązki elektronów, gdy każdy elektron przechodzi przez urządzenie niezależnie od pozostałych (odstęp czasu pomiędzy dwoma elektronami jest 10 4 razy dłuższy niż czas przejścia elektronu przez urządzenie) , obraz dyfrakcyjny powstały podczas długiego naświetlania nie różni się od wzorów dyfrakcyjnych uzyskanych przy krótkim naświetleniu przepływami elektronów dziesiątki milionów razy intensywniejszymi. W rezultacie właściwości falowe cząstek nie są własnością ich zbiorowości, ale są nieodłącznie związane z każdą cząstką indywidualnie. Następnie odkryto także zjawiska dyfrakcyjne dla neutronów, protonów oraz wiązek atomowych i molekularnych. Eksperymentalny dowód obecności falowych właściwości mikrocząstek doprowadził do wniosku, że mamy przed sobą zjawisko uniwersalne, ogólną właściwość materii. Ale w takim razie właściwości fal muszą być również nieodłączne od ciał makroskopowych. Dlaczego nie odkryto ich eksperymentalnie? Na przykład cząstka o masie 1 g poruszająca się z prędkością 1 m/s odpowiada fali de Broglie'a o =6,62 · 10 -31 m. Ta długość fali leży poza obszarem dostępnym do obserwacji (struktury okresowe z okresem d10 -31 m nie istnieje). Dlatego uważa się, że ciała makroskopowe wykazują tylko jedną stronę swoich właściwości – korpuskularną – i nie wykazują falowej. Ideę podwójnej cząstkowo-falowej natury cząstek materii pogłębia fakt, że połączenie pomiędzy całkowitą energią cząstki jest przenoszone na cząstki materii G oraz częstotliwość v fal de Broglie’a: e=hv. (213.3) Oznacza to, że związek energii i częstotliwości we wzorze (213.3) ma charakter uniwersalny współczynnik, obowiązuje zarówno dla fotonów, jak i innych mikrocząstek. Trafność zależności (213.3) wynika ze zgodności z doświadczeniem wyników teoretycznych, które za jej pomocą uzyskano w mechanice kwantowej, fizyce atomowej i jądrowej. Potwierdzona eksperymentalnie hipoteza De Broglie'a o dualizmie falowo-cząsteczkowym właściwości materii radykalnie zmieniła wyobrażenie o właściwościach mikroobiektów. Wszystkie mikroobiekty mają zarówno właściwości korpuskularne, jak i falowe; jednocześnie żadnej z mikrocząstek nie można uznać ani za cząstkę, ani za falę w klasycznym znaczeniu. Nowoczesną interpretację dualizmu korpuskularno-falowego można wyrazić słowami radzieckiego fizyka teoretycznego V. A. Focka (1898-1974): „Możemy powiedzieć, że dla obiektu atomowego istnieje potencjalna możliwość zamanifestowania się, w zależności od warunków zewnętrznych, albo jako fala, albo jako cząstka, albo w sposób pośredni. To jest w tym potencjalna szansa różne przejawy właściwości właściwych mikroobiektowi stanowią dualizm falowo-cząsteczkowy. Każde inne, bardziej dosłowne rozumienie tego dualizmu w postaci jakiegoś modelu jest błędne”.
