Šta je dualnost talas-čestica? To je karakteristika fotona i drugih subatomskih čestica koje se ponašaju kao talasi pod nekim uslovima i kao čestice pod drugim.
Dualitet talasno-čestica materije i svetlosti važan je deo kvantne mehanike, jer najbolje pokazuje činjenicu da koncepti kao što su "talasi" i "čestice", koji dobro funkcionišu u klasičnoj mehanici, nisu dovoljni za objašnjenja ponašanja nekih kvantnih objekata.
Dvojna priroda svjetlosti dobila je priznanje u fizici nakon 1905. godine, kada je Albert Einstein opisao ponašanje svjetlosti koristeći fotone, koji su opisani kao čestice. Zatim je Ajnštajn objavio manje poznatu specijalnu relativnost, koja opisuje svetlost kao talasno ponašanje.
Čestice koje pokazuju dvostruko ponašanje
Najbolje od svega, princip dualnosti talas-česticauočeno u ponašanju fotona. Ovo su najlakši i najmanji objekti koji pokazuju dvostruko ponašanje. Među većim objektima, kao što su elementarne čestice, atomi, pa čak i molekule, mogu se uočiti i elementi dualnosti talas-čestica, ali se veći objekti ponašaju kao ekstremno kratki talasi, pa ih je vrlo teško uočiti. Obično su koncepti koji se koriste u klasičnoj mehanici dovoljni da opišu ponašanje većih ili makroskopskih čestica.
Dokaz dualnosti talas-čestica
Ljudi razmišljaju o prirodi svjetlosti i materije vekovima, pa čak i milenijumima. Do relativno nedavno, fizičari su vjerovali da karakteristike svjetlosti i materije moraju biti nedvosmislene: svjetlost može biti ili tok čestica ili val, baš kao i materija, bilo da se sastoji od pojedinačnih čestica koje se u potpunosti pokoravaju zakonima Njutnove mehanike, ili biti kontinuirani, neodvojivi medij.
U početku, u moderno doba, bila je popularna teorija o ponašanju svjetlosti kao struje pojedinačnih čestica, odnosno korpuskularna teorija. Njutn se i sam pridržavao toga. Međutim, kasniji fizičari kao što su Huygens, Fresnel i Maxwell zaključili su da je svjetlost talas. Oni su objasnili ponašanje svjetlosti oscilacijom elektromagnetnog polja, a interakcija svjetlosti i materije u ovom slučaju potpada pod objašnjenje klasične teorije polja.
Međutim, početkom dvadesetog veka, fizičari su se suočili sa činjenicom da ni prvo ni drugo objašnjenje ne moguu potpunosti pokrivaju oblast ponašanja svetlosti u različitim uslovima i interakcijama.
Od tada su brojni eksperimenti dokazali dualnost ponašanja nekih čestica. Međutim, na pojavu i prihvatanje valno-čestičnog dualiteta svojstava kvantnih objekata posebno su uticali prvi, najraniji eksperimenti, koji su stavili tačku na raspravu o prirodi ponašanja svjetlosti..
Fotoelektrični efekat: svjetlost se sastoji od čestica
Fotoelektrični efekat, koji se naziva i fotoelektrični efekat, je proces interakcije svetlosti (ili bilo kojeg drugog elektromagnetnog zračenja) sa materijom, usled čega se energija svetlosnih čestica prenosi na čestice materije. Tokom proučavanja fotoelektričnog efekta, ponašanje fotoelektrona nije se moglo objasniti klasičnom elektromagnetskom teorijom.
Heinrich Hertz je još 1887. godine primijetio da ultraljubičasto svjetlo na elektrodama povećava njihovu sposobnost stvaranja električnih iskri. Ajnštajn je 1905. objasnio fotoelektrični efekat činjenicom da svetlost apsorbuju i emituju određeni kvantni delovi, koje je u početku nazvao kvanti svetlosti, a zatim ih nazvao fotonima.
Eksperiment Roberta Millikena 1921. godine potvrdio je Ajnštajnov sud i doveo do toga da je ovaj dobio Nobelovu nagradu za otkriće fotoelektričnog efekta, a sam Millikan je dobio Nobelovu nagradu 1923. godine za svoj rad na elementarnim česticama i proučavanje fotoelektričnog efekta.
Davisson-Jermerov eksperiment: svjetlost je talas
Davissonovo iskustvo - potvrdio je Germerde Broljova hipoteza o dualnosti svetlosti talas-čestica i poslužila je kao osnova za formulisanje zakona kvantne mehanike.
Oba fizičara proučavala su refleksiju elektrona od monokristala nikla. Postavka, locirana u vakuumu, sastojala se od monokristala nikla mljevenog pod određenim uglom. Snop monohromatskih elektrona bio je usmeren direktno okomito na ravninu preseka.
Eksperimenti su pokazali da se kao rezultat refleksije elektroni raspršuju vrlo selektivno, odnosno u svim reflektovanim snopovima, bez obzira na brzine i uglove, uočavaju se maksimumi i minimumi intenziteta. Tako su Davisson i Germer eksperimentalno potvrdili prisustvo valnih svojstava u česticama.
Godine 1948. sovjetski fizičar V. A. Fabrikant je eksperimentalno potvrdio da su valne funkcije inherentne ne samo protoku elektrona, već i svakom elektronu posebno.
Jungov eksperiment sa dva proreza
Praktični eksperiment Thomasa Younga sa dva proreza je demonstracija da i svjetlost i materija mogu pokazati karakteristike i valova i čestica.
Jungov eksperiment praktično demonstrira prirodu dualnosti talas-čestica, uprkos činjenici da je prvi put sproveden početkom 19. veka, čak i pre pojave teorije dualizma.
Suština eksperimenta je sledeća: izvor svetlosti (na primer, laserski snop) se usmerava na ploču na kojoj su napravljena dva paralelna proreza. Svetlost koja prolazi kroz proreze reflektuje se na ekranu iza ploče.
Talasna priroda svjetlosti uzrokuje da svjetlosni valovi prolaze kroz proreze domiješati, stvarajući svijetle i tamne pruge na ekranu, što se ne bi dogodilo da se svjetlost ponašala čisto kao čestice. Međutim, ekran apsorbuje i reflektuje svetlost, a fotoelektrični efekat je dokaz korpuskularne prirode svetlosti.
Šta je talasno-čestica dualnost materije?
Pitanje da li se materija može ponašati u istoj dualnosti kao i svjetlost, de Broglie se pozabavio. Posjeduje hrabru hipotezu da, pod određenim uvjetima i ovisno o eksperimentu, ne samo fotoni, već i elektroni mogu pokazati dualnost valova i čestica. Broglie je razvio svoju ideju o talasima verovatnoće ne samo fotona svetlosti, već i makročestica 1924.
Kada je hipoteza dokazana korištenjem Davisson-Germerovog eksperimenta i ponavljanjem Youngovog eksperimenta sa dvostrukim prorezom (sa elektronima umjesto fotona), de Broglie je dobio Nobelovu nagradu (1929).
Ispostavilo se da se materija može ponašati i kao klasični talas pod pravim okolnostima. Naravno, veliki objekti stvaraju talase tako kratke da ih je besmisleno posmatrati, ali manji objekti, poput atoma ili čak molekula, pokazuju primetnu talasnu dužinu, što je veoma važno za kvantnu mehaniku, koja je praktično izgrađena na talasnim funkcijama.
Značenje dualnosti talas-čestica
Glavno značenje koncepta dualnosti talas-čestica je da se ponašanje elektromagnetnog zračenja i materije može opisati pomoću diferencijalne jednadžbe,koja predstavlja talasnu funkciju. Obično je ovo Schrödingerova jednačina. Sposobnost opisivanja stvarnosti pomoću valnih funkcija je u srcu kvantne mehanike.
Najčešći odgovor na pitanje šta je dualitet talas-čestica je da talasna funkcija predstavlja verovatnoću pronalaženja određene čestice na određenom mestu. Drugim riječima, vjerovatnoća da se čestica nađe na predviđenoj lokaciji čini je talasom, ali njen fizički izgled i oblik nisu.
Šta je dualnost valova i čestica?
Dok matematika, iako na izuzetno složen način, daje tačna predviđanja na osnovu diferencijalnih jednačina, značenje ovih jednačina za kvantnu fiziku je mnogo teže razumjeti i objasniti. Pokušaj da se objasni šta je dualnost talas-čestica još uvek je u centru debate u kvantnoj fizici.
Praktični značaj dualnosti talas-čestica takođe leži u činjenici da svaki fizičar mora naučiti da percipira stvarnost na veoma zanimljiv način, kada razmišljanje o skoro svakom objektu na uobičajen način više nije dovoljno za adekvatnu percepciju stvarnosti.
