Корпускулярно-волновой дуализм
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
История создания [ ]
Французский ученый Луи де Бройль (1892—1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.
Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия E и импульс p , а с другой стороны — волновые характеристики — частота и длина волны.
Так как экспериментально подтвердить в 1948 году советскому физику экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.
Современная трактовка корпускулярно-волнового дуализма может быть выражена словами физика В. А. Фока (1898—1974): «Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна — частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно» [источник не указан 5194 дня] .
Корпускулярно-волновая двойственность света [ ]
Такие явления, как интерференция и дифракция света, убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона можно успешно истолковать только на основе квантовых представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов. Однако волновой и квантовый (корпускулярный) способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами. Он представляет собой диалектическое единство этих противоположных свойств. Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные — в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить квантовые свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решетке — кристаллической решетке твердого тела .
Элементы квантовой механики [ ]
Физика атомов, молекул и их коллективов, в частности кристаллов, а также атомных ядер и элементарных частиц изучается в квантовой механике. Объекты микромира, изучаемые квантовой механикой, имеют линейные размеры порядка 10 − 6 … 10 − 13 \ldots 10^> см. Если частицы движутся со скоростями много меньше, чем скорость света в вакууме c , то применяется нерелятивистская квантовая механика; при скоростях близких к c — релятивистская квантовая механика.
В основе квантовой механики лежат представления Планка о дискретном характере изменения энергии атомов, Эйнштейна о фотонах, данные о квантованности некоторых физических величин (например, импульса и энергии), характеризующих в определенных условиях состояния частиц микромира. Основополагающей в квантовой механике явилась идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер. Она должна проявляться для любых частиц, обладающих импульсом p . Все частицы, имеющие конечный импульс p , обладают волновыми свойствами, и их движение сопровождается некоторым волновым процессом.
Формула де Бройля устанавливает зависимость длины волны λ , связанной с движущейся частицей вещества, от импульса p частицы:
где m — масса частицы, v — ее скорость, h — постоянная Планка. Волны, о которых идет речь, называются волнами де Бройля.
Другой вид формулы де Бройля:
где k = 2 π λ n =<\lambda >>\mathbf > — волновой вектор, модуль которого k = 2 π λ <\displaystyle k=<\lambda >>> — волновое число — есть число длин волн, укладывающихся на 2 π единицах длины, n <\displaystyle \mathbf > — единичный вектор в направлении распространения волны, ℏ = h 2 π = 1 , 05 ⋅ 10 − 34 <2\pi >>=105\cdot 10^> Дж·с.
Длина волны де Бройля для частицы с массой m , имеющей кинетическую энергию W k >
В частности, для электрона, ускоряющегося в электрическом поле с разностью потенциалов Δ φ вольт
Формула де Бройля экспериментально подтверждается опытами по рассеянию электронов и других частиц на кристаллах и по прохождению частиц сквозь вещества. Признаком волнового процесса во всех таких опытах является дифракционная картина распределения электронов (или других частиц) в приемниках частиц.
Волновые свойства не проявляются у макроскопических тел. Длины волн де Бройля для таких тел настолько малы, что обнаружение волновых свойств оказывается невозможным.
Фазовая скорость волн де Бройля свободной частицы
где ω = 2 π ν — циклическая частота, W — энергия свободной частицы, p = m v — импульс частицы, m — ее масса, v — ее скорость, λ — длина дебройлевской волны. Зависимость фазовой скорости дебройлевских волн от длины волны указывает на то, что эти волны испытывают дисперсию.
Групповая скорость волн де Бройля равна скорости частицы u :
Связь между энергией частицы W и частотой ν волны де Бройля
Волны де Бройля имеют специфическую природу, не имеющую аналогии среди волн, изучаемых в классической физике: квадрат модуля амплитуды волны де Бройля в данной точке является мерой вероятности того, что частица обнаруживается в этой точке. Дифракционные картины, которые наблюдаются в опытах, являются проявлением статистической закономерности, согласно которой частицы попадают в определенные места в приёмниках — туда, где интенсивность волны де Бройля оказывается наибольшей. Частицы не обнаруживаются в тех местах, где, согласно статистической интерпретации, квадрат модуля амплитуды «волны вероятности» обращается в нуль.
Источник
Всё есть волна, включая вас
Концепция, известная как корпускулярно-волновой дуализм, хорошо применима к свету. Но она также применима ко всей материи – включая вас.
В 1905 году 26-летний Альберт Эйнштейн предложил нечто совершенно возмутительное: свет может быть как волной, так и частицей. Эта идея так же странна, как и звучит. Как может что-то быть двумя настолько разными вещами? Частица мала и ограничена крошечным пространством, в то время как волна – это нечто распространяющееся. Частицы ударяются друг о друга и рассеиваются. Волны преломляются и дифрагируют. Они дополняют или компенсируют друг друга в суперпозициях. Это очень разные модели поведения.
Скрыто в переводе
Проблема дуализма волн и частиц заключается в том, что в языке возникают проблемы с тем, чтобы учесть оба поведения, исходящие от одного и того же объекта. В конце концов, язык построен из нашего опыта и эмоций, из того, что мы видим и чувствуем. Мы не видим и не чувствуем фотоны напрямую. Мы исследуем их природу с помощью экспериментальных установок, собирая информацию с помощью мониторов, счетчиков и тому подобного.
Двойственное поведение фотонов проявляется в зависимости от того, как мы ставим эксперимент. Если свет проходит через узкие щели, он дифрагирует как волна. Если он сталкивается с электронами, то рассеивается как частица. Таким образом, в некотором смысле именно наш эксперимент, вопрос, который мы задаем, определяет физическую природу света. Это вводит в физику новый элемент: взаимодействие наблюдателя с наблюдаемым.
В более крайних интерпретациях мы могли бы сказать, что намерение экспериментатора определяет физическую природу того, что наблюдается – что разум определяет физическую реальность. Это, конечно, далеко не так, но что мы можем сказать наверняка, так это то, что свет по-разному отвечает на поставленный нами вопрос. В каком-то смысле свет – это и волна, и частица, и в то же время, ни то и ни другое.
Это приводит нас к модели атома Бора. Его модель привязывает электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра, к определенным орбитам. Электрон может находиться только на одной из этих орбит, как будто он стоит на рельсах поезда. Он может прыгать между орбитами атомных ядер, но не может находиться между ними. Как именно это работает? Для Бора это вопрос оставался открытым. Ответ на него был получен благодаря удивительной интуиции физиков-исследователей. И он вызвал революцию в нашем понимании мира.
Волновая природа бейсбольного мяча
В 1924 году Луи де Бройль, историк, ставший физиком, весьма эффектно показал, что ступенчатые орбиты электрона в атомной модели Бора легко понять, если представить электрон в виде стоячих волн, окружающих ядро. Эти волны очень похожи на те, которые мы видим, когда трясем веревку, закрепленную на другом конце. В случае с веревкой картина стоячих волн возникает из-за конструктивной и деструктивной интерференции между волнами, идущими и возвращающимися по веревке.
Для электрона стоячие волны возникают по той же причине, но теперь электронная волна замыкается сама на себя, как уроборос – мифическая змея, проглатывающая свой собственный хвост. Когда мы трясем нашу веревку более энергично, в узоре стоячих волн появляется больше пиков. Электрон на более высоких орбитах соответствует стоячей волне с большим количеством пиков.
При активной поддержке Эйнштейна де Бройль смело расширил понятие корпускулярно-волнового дуализма со света на электроны и, соответственно, на каждый движущийся материальный объект. С волнами теперь ассоциировался не только свет, но и любая материя.
Де Бройль предложил формулу, известную как “длина волны де Бройля”, для расчета длины волны любой материи с массой m, движущейся со скоростью v. Он связал длину волны λ с m и v – и, таким образом, с импульсом p = mv – в соответствии с соотношением λ = h/p, где h – постоянная Планка. Формула может быть уточнена для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.
Например, бейсбольный мяч, движущийся со скоростью 70 км в час, имеет соответствующую длину волны де Бройля около 22 миллиардных долей триллионной доли триллионной доли сантиметра (или 2,2 x 10 -32 см). Ясно, что там мало что колеблется, и мы вправе представлять себе бейсбольный мяч как твердый объект.
В отличие от этого, длина волны электрона, движущегося со скоростью, равной одной десятой скорости света, составляет примерно половину размера атома водорода (точнее, половину размера наиболее вероятного расстояния между атомным ядром и электроном в его самом низком энергетическом состоянии).
В то время как волновая природа движущегося шара не имеет значения для понимания его поведения, волновая природа электрона необходима для понимания его поведения в атомах. Но решающим моментом является то, что все движется волнами. Электрон, бейсбольный мяч и вы.
Квантовая биология
Замечательная идея де Бройля была подтверждена в бесчисленных экспериментах. На занятиях по физике нам демонстрируют, как электроны, проходящие через кристалл, дифрагируют подобно волнам, причем суперпозиции создают темные и светлые пятна из-за деструктивной и конструктивной интерференции. Антон Цайлингер, получивший в 2022 году Нобелевскую премию по физике, выступал за дифракцию все более крупных объектов, от молекулы C60 (с 60 атомами углерода) в форме футбольного мяча до биологических макромолекул.
Вопрос в том, как жизнь в условиях такого дифракционного эксперимента поведет себя на квантовом уровне. Квантовая биология – это новый рубеж, где корпускулярно-волновой дуализм играет ключевую роль в поведении живых существ. Может ли жизнь пережить квантовую суперпозицию? Может ли квантовая физика рассказать нам что-то о природе жизни?
Источник