Ano ang wave-particle duality? Ito ay isang katangian ng mga photon at iba pang mga subatomic na particle na kumikilos tulad ng mga alon sa ilalim ng ilang mga kondisyon at tulad ng mga particle sa ilalim ng iba.
Ang Wave-particle duality ng matter at light ay isang mahalagang bahagi ng quantum mechanics, dahil pinakamainam nitong ipinapakita ang katotohanan na ang mga konsepto gaya ng "waves" at "particles", na gumagana nang maayos sa classical mechanics, ay hindi sapat upang mga paliwanag ng pag-uugali ng ilang bagay na quantum.
Ang dalawahang katangian ng liwanag ay nakilala sa pisika pagkatapos ng 1905, nang ilarawan ni Albert Einstein ang pag-uugali ng liwanag gamit ang mga photon, na inilarawan bilang mga particle. Pagkatapos ay inilathala ni Einstein ang hindi gaanong sikat na espesyal na relativity, na inilarawan ang liwanag bilang pag-uugali ng alon.
Mga partikulo na nagpapakita ng dalawahang gawi
Pinakamahusay sa lahat, ang prinsipyo ng wave-particle dualitynaobserbahan sa pag-uugali ng mga photon. Ito ang pinakamagagaan at pinakamaliit na bagay na nagpapakita ng dalawahang pag-uugali. Sa mga malalaking bagay, tulad ng mga elementarya na particle, atomo, at maging mga molekula, ang mga elemento ng wave-particle duality ay maaari ding obserbahan, ngunit ang mas malalaking bagay ay kumikilos tulad ng napakaikling alon, kaya napakahirap nilang obserbahan. Karaniwan, ang mga konseptong ginagamit sa klasikal na mekanika ay sapat na upang ilarawan ang pag-uugali ng mas malaki o macroscopic na mga particle.
Ebidensya ng wave-particle duality
Iniisip ng mga tao ang likas na katangian ng liwanag at bagay sa loob ng maraming siglo at maging millennia. Hanggang kamakailan lamang, naniniwala ang mga physicist na ang mga katangian ng liwanag at bagay ay dapat na hindi malabo: ang liwanag ay maaaring maging isang stream ng mga particle o isang alon, tulad ng matter, maaaring binubuo ng mga indibidwal na particle na ganap na sumusunod sa mga batas ng Newtonian mechanics, o pagiging isang tuloy-tuloy, hindi mapaghihiwalay na daluyan.
Sa una, sa modernong panahon, ang teorya tungkol sa pag-uugali ng liwanag bilang isang stream ng mga indibidwal na particle, iyon ay, ang corpuscular theory, ay popular. Si Newton mismo ay sumunod dito. Gayunpaman, ang mga huling pisiko tulad nina Huygens, Fresnel at Maxwell ay nagpasiya na ang liwanag ay isang alon. Ipinaliwanag nila ang pag-uugali ng liwanag sa pamamagitan ng oscillation ng electromagnetic field, at ang interaksyon ng liwanag at matter sa kasong ito ay nahulog sa ilalim ng paliwanag ng classical field theory.
Gayunpaman, sa simula ng ikadalawampu siglo, ang mga physicist ay nahaharap sa katotohanang hindi maaaring ang una o ang pangalawang paliwanag ayganap na sumasaklaw sa lugar ng magaan na gawi sa ilalim ng iba't ibang kundisyon at pakikipag-ugnayan.
Mula noon, maraming eksperimento ang nagpatunay sa duality ng pag-uugali ng ilang particle. Gayunpaman, ang hitsura at pagtanggap ng wave-particle duality ng mga katangian ng quantum objects ay lalo na naimpluwensyahan ng una, pinakamaagang mga eksperimento, na nagtapos sa debate tungkol sa kalikasan ng pag-uugali ng liwanag.
Photoelectric effect: ang liwanag ay binubuo ng mga particle
Ang photoelectric effect, na tinatawag ding photoelectric effect, ay ang proseso ng interaksyon ng liwanag (o anumang iba pang electromagnetic radiation) sa matter, bilang resulta kung saan ang enerhiya ng light particle ay inililipat sa matter particle. Sa panahon ng pag-aaral ng photoelectric effect, ang pag-uugali ng mga photoelectron ay hindi maipaliwanag ng classical electromagnetic theory.
Nabanggit ni Heinrich Hertz noong 1887 na ang nagniningning na ultraviolet light sa mga electrodes ay nagpapataas ng kanilang kakayahang lumikha ng mga electrical spark. Ipinaliwanag ni Einstein noong 1905 ang photoelectric effect sa pamamagitan ng katotohanang ang liwanag ay sinisipsip at ibinubuga ng ilang bahagi ng quantum, na una niyang tinawag na light quanta, at pagkatapos ay tinawag itong mga photon.
Ang isang eksperimento ni Robert Milliken noong 1921 ay nagpatunay sa paghatol ni Einstein at humantong sa katotohanan na ang huli ay tumanggap ng Nobel Prize para sa pagtuklas ng photoelectric effect, at si Millikan mismo ay tumanggap ng Nobel Prize noong 1923 para sa kanyang trabaho sa elementarya na mga particle at ang pag-aaral ng photoelectric effect.
Eksperimento ng Davisson-Jermer: ang liwanag ay isang alon
karanasan ni Davisson - Kinumpirma ni Germerang hypothesis ni de Broglie tungkol sa wave-particle duality ng liwanag at nagsilbing batayan para sa pagbabalangkas ng mga batas ng quantum mechanics.
Ang parehong physicist ay pinag-aralan ang repleksyon ng mga electron mula sa isang nickel single crystal. Ang setup, na matatagpuan sa isang vacuum, ay binubuo ng isang nickel single crystal ground sa isang tiyak na anggulo. Ang isang sinag ng mga monochromatic na electron ay direktang nakadirekta patayo sa cut plane.
Ipinakita ng mga eksperimento na bilang resulta ng pagmuni-muni, ang mga electron ay napakapiling nagkakalat, iyon ay, sa lahat ng mga sinag na sinag, anuman ang bilis at anggulo, ang maxima at minima ng intensity ay sinusunod. Kaya naman, eksperimentong kinumpirma nina Davisson at Germer ang pagkakaroon ng mga katangian ng wave sa mga particle.
Noong 1948, eksperimento na kinumpirma ng pisikong Sobyet na si V. A. Fabrikant na ang mga function ng wave ay likas hindi lamang sa daloy ng mga electron, kundi pati na rin sa bawat electron nang hiwalay.
eksperimento ni Jung na may dalawang hiwa
Ang praktikal na eksperimento ni Thomas Young na may dalawang hiwa ay isang pagpapakita na ang liwanag at materya ay maaaring magpakita ng mga katangian ng parehong mga alon at particle.
Praktikal na ipinakita ng eksperimento ni Jung ang likas na katangian ng wave-particle duality, sa kabila ng katotohanang ito ay unang isinagawa noong simula ng ika-19 na siglo, bago pa man dumating ang teorya ng dualism.
Ang esensya ng eksperimento ay ang mga sumusunod: isang light source (halimbawa, isang laser beam) ay nakadirekta sa isang plato kung saan ginawa ang dalawang parallel slots. Ang liwanag na dumadaan sa mga siwang ay makikita sa screen sa likod ng plato.
Ang wave nature ng liwanag ay nagdudulot ng mga light wave na dumadaan sa mga hiwapaghaluin, na gumagawa ng liwanag at madilim na mga guhit sa screen, na hindi mangyayari kung ang liwanag ay kumikilos na parang mga particle. Gayunpaman, ang screen ay sumisipsip at sumasalamin sa liwanag, at ang photoelectric effect ay patunay ng corpuscular nature ng liwanag.
Ano ang wave-particle duality ng matter?
Ang tanong kung ang bagay ay maaaring kumilos sa parehong duality gaya ng liwanag, sinagot ni de Broglie. Siya ay nagmamay-ari ng isang matapang na hypothesis na, sa ilalim ng ilang mga kundisyon at depende sa eksperimento, hindi lamang mga photon, kundi pati na rin ang mga electron ay maaaring magpakita ng wave-particle duality. Binuo ni Broglie ang kanyang ideya ng mga probability wave hindi lamang ng mga photon ng liwanag, kundi pati na rin ng mga macroparticle noong 1924.
Nang napatunayan ang hypothesis gamit ang Davisson-Germer experiment at inulit ang double-slit experiment ni Young (na may mga electron sa halip na mga photon), natanggap ni de Broglie ang Nobel Prize (1929).
Lumalabas na ang matter ay maaari ding kumilos na parang classical wave sa ilalim ng tamang mga pangyayari. Siyempre, ang mga malalaking bagay ay lumilikha ng mga alon na napakaikli na walang kabuluhan na pagmasdan ang mga ito, ngunit ang mas maliliit na bagay, tulad ng mga atomo o kahit na mga molekula, ay nagpapakita ng isang kapansin-pansing haba ng daluyong, na napakahalaga para sa quantum mechanics, na halos binuo sa mga function ng wave.
Ang kahulugan ng wave-particle duality
Ang pangunahing kahulugan ng konsepto ng wave-particle duality ay ang pag-uugali ng electromagnetic radiation at matter ay maaaring ilarawan gamit ang isang differential equation,na kumakatawan sa function ng wave. Kadalasan ito ay ang Schrödinger equation. Ang kakayahang ilarawan ang realidad gamit ang mga function ng wave ay nasa puso ng quantum mechanics.
Ang pinakakaraniwang sagot sa tanong kung ano ang wave-particle duality ay ang wave function ay kumakatawan sa posibilidad na makahanap ng isang partikular na particle sa isang partikular na lugar. Sa madaling salita, ang posibilidad na ang isang particle ay nasa isang hinulaang lokasyon ay ginagawa itong isang alon, ngunit ang pisikal na anyo at hugis nito ay hindi.
Ano ang wave-particle duality?
Habang ang matematika, kahit na sa sobrang kumplikadong paraan, ay gumagawa ng mga tumpak na hula batay sa mga differential equation, ang kahulugan ng mga equation na ito para sa quantum physics ay mas mahirap maunawaan at ipaliwanag. Ang pagtatangkang ipaliwanag kung ano ang wave-particle duality ay nasa gitna pa rin ng debate sa quantum physics.
Ang praktikal na kahalagahan ng wave-particle duality ay nakasalalay din sa katotohanan na ang sinumang physicist ay dapat matutong makita ang katotohanan sa isang napaka-kawili-wiling paraan, kapag ang pag-iisip tungkol sa halos anumang bagay sa karaniwang paraan ay hindi na sapat para sa isang sapat na pang-unawa ng katotohanan.
