A fizika , a hullám-részecske kettősség olyan elv, amely szerint minden fizikai tárgyak néha mutatnak hullám tulajdonságokat és néha részecske tulajdonságait . Ezeknek a tulajdonságoknak a megnyilvánulása nemcsak a külön megvizsgált objektumtól, hanem az összes használt mérőeszköztől is függ. Ez a koncepció a kvantummechanika alapjainak része . A tankönyvfény a fényé, amely két kiegészítő aspektust mutat be a kísérlet körülményeitől függően: vagy hullámzó, tehát a hullámhossz , vagy a korpuszkuláris, tehát a fotonok fogalma .
Ez a kettősség igazolja a "korpuszulák" vagy a "hullámok" klasszikus felfogásának alkalmatlanságát - pontosabban hiányosságát - a kvantumobjektumok viselkedésének leírására. A kettősség eszméje egy XVII . Századi vitában gyökerezik , amikor Christian Huygens , amely úgy vélte, hogy a fény hullámokból áll, és Isaac Newton , aki a fényt a sejttestek . A hullám-részecske kettősség bevezetése1909által Albert Einstein a fény. Einstein , Louis de Broglie és még sokan mások munkáját követve a modern tudományos elméletek minden objektumnak kettős hullám- és részecskeszintet adnak , bár ez a jelenség csak a kvantumrendszerek skáláján figyelhető meg.
A kvantumelektrodinamika könnyű korpuszkuláris aspektust ad, és valószínűségi tulajdonságokkal mutatja, hogy a fotonok hullámszerű viselkedést mutathatnak.
A hullám-részecske kettősség abból a tényből fakad, hogy a hullám (a vízen hullámmal társított) és a részecske (a labdához társított) klasszikus analógiája nem kompatibilis: intuitív és ontológiai szempontból nem képesek ugyanazt az objektumot jellemezni.
A víz hullámának jelensége minden bizonnyal kompatibilisnek tekinthető a vizet alkotó molekulák korpuszkuláris jellegével; mindazonáltal ez a lépték jelensége, a vízen észlelhető hullámzó jelleg, amely a közeget alkotó vízmolekulák mennyiségéből adódik, és nem minden egyes molekulából.
A kvantumfizika kezdetén azonban a kísérletek azt mutatták, hogy a megfigyelt jelenségek valóban önmagukban mutatják be ezt a két látszólag ellentétes tulajdonságot.
Molekula | Hullám | |
---|---|---|
Pozíció vagy interakció | lokalizált, meghatározott kiterjesztés | delokalizált, végtelen kiterjesztés időben és térben |
Terjedés | folyamatos pálya, meghatározott és megfigyelhető sebességgel | diffúzió egyidejűleg minden irányban (virtuális "pillanata" nem közvetlenül megfigyelhető) |
Megszámlálhatóság és elválaszthatóság | az objektum megszámlálható és különálló objektumokra osztható fel. | az objektum megszámlálhatatlan és elválaszthatatlan különálló objektumoktól. |
A hengermetafora egy olyan objektum példája, amelynek látszólag kibékíthetetlen tulajdonságai vannak. Első pillantásra zavaró lenne azt állítani, hogy az objektumnak mind a kör, mind a téglalap tulajdonságai vannak : síkon az objektum vagy kör, vagy téglalap.
De ha egy hengert vesszük figyelembe: a henger tengelye mentén lévő vetület kört ad, az erre a tengelyre merőleges vetület pedig téglalapot ad.
Hasonlóképpen, a "hullám" és a "részecske" a dolgok látásának módja, nem pedig önmagukban. A kettősség kifejezés ekkor meglehetősen "ellentmondásos", ami azt jelenti, hogy két különböző dolog létezik, miközben valóban két fizikai terület egyesítése: a hullámok és a korpuszkuláris aspektus.
Vegye figyelembe azt is, hogy a kvantumfizika matematikai leírásában a mérés eredménye hasonló a geometriai vetülethez ( megfigyelhető fogalom : az objektum állapotát olyan számok írják le, amelyek koordinátaként láthatók egy vektorbázisban , és az euklideszi geometria, a koordináták az objektum vetülete a referenciatengelyeken).
Egy olyan makroszkopikus egyenérték hiánya , amelyre hivatkozhatnánk, arra kényszerít bennünket, hogy a kvantumobjektumokra ellentmondásos tulajdonságokkal rendelkezzünk. Helytelen lenne azt mondani, hogy a fény (mint bármely más kvantumrendszer ebben az ügyben) egyszerre hullám és részecske, nem az. A megfelelő szókincs hiánya és a kis léptékű jelenségek intuitív mentális ábrázolásának lehetetlensége arra késztet bennünket, hogy ezeket az objektumokat önmagában antinomikus természetűeknek tekintsük.
Ennek a látszólagos paradoxonnak a kiküszöbölése és a hullám és részecske klasszikus elképzeléseink tökéletlenségéhez való ragaszkodás érdekében Jean-Marc Lévy-Leblond és Françoise Balibar fizikusok azt javasolták, hogy a „kvanton” kifejezést egy tárgyról beszéljék. A kvanton sem hullám, sem részecske, de mindkét szempontot bemutathatja Bohr komplementaritási elvének megfelelően .
Az episztemológia Cartesianus ezt az ötletet használja annak bemutatására, hogy érzékeink becsapnak minket. Descartes ezt a példát veszi: „Ahogy a távolból nézve egy négyzet alakú torony is kereknek tűnik. " Descartes ugyanazt a metaforát használja : objektumok vagy különböző geometriai formák, amelyek az egyik és a másik tulajdonságait mutatják (de nem is az egyik, se a másik).
A hullám-részecske kettősség egy hosszú történelem végén jelent meg, amelyben a tisztán hullám és részecske szempontokat egymásnak részesítették előnyben. Ezeket a szempontokat először a fény elméleteivel azonosították, mielőtt kiterjesztették volna - a XX . Századra - az összes fizikai tárgyat.
Az első átfogó elmélete fény hozta létre a holland fizikus Christian Huygens a tizenhetedik th században . Javasolta a fény hullámelméletét, és különösen azt bizonyította, hogy a fényhullámok megzavarhatják az egyenes vonalban terjedő hullámfront kialakulását . Elméletének azonban bizonyos korlátai voltak más területeken, és hamarosan elhomályosította a fény korpuszkuláris elméletét, amelyet ugyanabban az időben Isaac Newton hozott létre .
Newton sugárzásokból álló fényt javasolt, egyszerűen megmagyarázva az optikai visszaverődés jelenségeit . Jelentős bonyodalmak árán ez az elmélet megmagyarázhatja a fénytörés lencsén keresztüli áttörését és a fénysugár prizmán keresztüli szórását is .
Newton óriási presztízséből kihasználva ezt az elméletet alig vonták kétségbe egy évszázadnál tovább.
Elején XIX th század kísérletek diffrakciós által Thomas Young ( slot Young ) és Augustin Fresnel ( Fresnel tükör ) is indokolja az elméletek Christian Huygens Ezek a kísérletek bebizonyították, hogy ha a fény küldött egy hálózat diffrakciós egy jellegzetes interferencia mintázat figyelhető meg , nagyon hasonló a hullámok vízen történő interferenciájából eredő mintákhoz; a fény hullámhossza az ilyen minták alapján kiszámítható.
A hullám szempontból nem váltotta azonnal korpuszkuláris szempontból, de nőtte ki magát fokozatosan a tudományos közösség a XIX th században, különösen a magyarázat 1821 által Augustin Fresnel a jelenség polarizáció a fény, hogy nem tudta megmagyarázni a másik megközelítés majd Léon Foucault 1850- ben a fény terjedési sebességével végzett kísérletét követően . Ezeket az egyenleteket számos kísérlet igazolta, és Huygens nézőpontja széles körben elfogadottá vált.
James Maxwell , a második felében a XIX th század magyarázható, mint a fény terjedési zavarok elektromágneses a Maxwell-egyenletek .
A 1905 , Albert Einstein újra a gondolat, hogy a fény is van egy részecske jellege: elmagyarázta a küszöb hatása fotoelektromos hatás által feltételezik a létezését kvantum fényenergia. Einstein elismerte, hogy e fény frekvenciája ν (nu) a fotonok E energiájához kapcsolódik a Planck-relációval:
ahol h jelentése Planck-állandó (6,626 × 10 -34 J s ).
Ez a reláció vette fel a Planck-Einstein kapcsolat nevét.
(Daniel Fredon, Salvério Calléa és Didier Magloire, Minden MPSI kártyában: Maths.Physique.Chimie, Dunod, coll. "J'intègre", 2013, 512 o. ( ISBN 978-2-10-060059-5 ) , 219. o.)
[ref. szükséges]Ezt a jövőképet sokáig vitatták , különösen azért, mert nem egyezik meg kifejezetten hullámos viselkedéssel, például diffrakcióval.
A 1924 , az ő tézise, Louis de Broglie megerősítette, hogy minden anyag (és nem csak a fény) egy hullám természetű. Ő jár a lendület p egy részecske, amelynek hullámhossza λ, az úgynevezett de Broglie hullámhossz :
Ez egy általánosítása Planck-Einstein kapcsolat fent bemutatott, mert a lendület (vagy momentum) egy foton által adott , ahol c jelentése a fény sebessége vákuumban, és (ha cseréljük p és a de Broglie egyenletbe, keresse meg a Planck-Einstein relációt).
A de Broglie által kifejlesztett képletet három évvel később Clinton J. Davisson és Lester H. Germer is megerősítette . Ezek a fotonok tömegével ellentétben egy elektronnyalábot kristályos diffrakciós rács felé irányítottak : így megfigyelhetők voltak a várható interferencia mintázatok.
Hasonló kísérleteket azóta vállalt protonok és még a teljes molekulákat , nevezetesen a kísérlet Estermann és Otto Stern a 1929 , és a képlet megerősítést nyert minden esetben.
De Broglie 1929 -ben fizika Nobel-díjat kapott hipotéziséért, amely mély hatással volt e korszak fizikájára.
A 1999 , a kutatók a University of Vienna diffraktált fullerén (molekula C 60 ). Ebben a kísérletben a de Broglie hullámhossz 2,5 µm volt, míg a molekula átmérője körülbelül 1 nm, ami 400-szor nagyobb. Ekkor a legösszetettebb fizikai objektum mutatta a hullám viselkedését.
A fényszorzóval lehetséges egy izolált foton detektálása, és az azonos színű foton ebben az eszközben mindig azonos intenzitású eseményt produkál. Általánosságban elmondható, hogy az alacsony fényintenzitás detektálására gyártott összes eszköz ugyanarra a következtetésre vezet: a fény részecskékből áll, miközben a mindennapi életben minden megnyilvánulása hullámjelenségeknek köszönhető.
Az a kísérlet, amely Isaac Newtont már felkeltette , a fény visszaverődését jelenti egy üvegtárgy felületén: a sugarak vagy fotonok 4% -a mindig visszaverődik (a többi 96% átjut rajta). Ha egy felület helyett egy tökéletesen párhuzamos felületből álló üveglap visszaverődéseit számoljuk, akkor 8% -os eredményre számítunk (az egyetlen felülettel kapott eredmény duplája); de a kísérlet egy interferenciára emlékeztető jelenséget mutat be: a lemez vastagságának fokozatos növelésével a fény visszaverődése ciklikus módon 0 és 16% között változik. Ez a jelenség egy hullámelmélettel magyarázható, amely azt jósolta, hogy a detektált intenzitás csökken a kibocsátott fényével, amely addig tartott, amíg a fotomultiplikátorok képesek voltak egyetlen foton detektálására: a detektált intenzitás nem csökkent a csökkenéssel a kibocsátott fényben. A fizikusok ezt követően tényként fogadták el a hullám-részecske kettősséget.
A kvantumelektrodinamika megoldotta ezt a paradoxont anélkül, hogy megmagyarázta volna, figyelembe véve, hogy az üveg (vagy más átlátszó anyag) a megadott valószínűség szerint tükrözi a fotonokat . Ebből a posztulátumból az elmélet képes megmagyarázni az összes fényjelenséget, amelyről azt hitték, hogy hullámzó.
A hullám-részecske kettősség bemutatásának egyik legegyszerűbb módja Young réseinek tapasztalata . Ez az élmény a XIX . Század óta ismert , amikor először világosan bemutatták a fény hullámosságát. Megfelelően módosítva drámai módon demonstrálni tudja a hullám-részecske kettősséget, nemcsak a fény, hanem bármely más kvantumobjektum esetében is. A következő leírásban fogunk beszélni könnyű és fotonok, de nem szabad szem elől azt a tényt, hogy ez is alkalmazható - legalábbis elvileg - minden más részecske (például elektronok ), és még a jelent. És molekulák .
A kísérlet abból áll, hogy egy képernyőt megvilágítunk egy nagyon forró, két nagyon vékony rés által átszúrt fényforrással. Ez a két rés két másodlagos fénykibocsátási forrásként viselkedik. A képernyő mögé helyezett fényképészeti lemez rögzíti a két résből érkező fényt (⇐ lásd az 1. ábrát).
Ez a két forrás zavarja és képezi a fényképezőlapon az úgynevezett interferencia-mintát (lásd a 2. ábrát ⇒). Ez az ábra a fény hullám viselkedésére jellemző (lásd a cikk interferenciáját ). Ha a tapasztalat ezen a szinten marad, a korpuszkuláris aspektus nem jelenik meg.
Valójában csökkenteni lehet az elsődleges forrás fényintenzitását úgy, hogy a fény fotont bocsát ki a fotonból . A fény viselkedése ekkor megmagyarázhatatlanná válik anélkül, hogy a hullám-részecske kettősségre apellálna.
Valóban, ha a fényforrást lecseréljük egy ágyúra, amely mikrogolyókat lő át a két résen (például), tehát "valódi" sejteket, akkor nem interferenciafigurát kapunk, hanem egyszerűen nagyobb területet. Sűrű, a repedésekkel szemben (⇐ lásd a 3. ábrát).
A fotonok esetében azonban az interferencia-mintát apránként helyreállítjuk, mivel a fotonok megjelennek a fényképes lemezen (4. ábra 4). Ezért a hullámokra jellemző interferenciafigurát találunk egyidejűleg a fotólemezre gyakorolt hatások korpuszkuláris aspektusával.
Ennek a tapasztalatnak az értelmezése nehéz, mert ha a fényt hullámnak tekintjük, akkor a fényképezőlapon lévő ütközési pontok megmagyarázhatatlanok; ebben az esetben nagyon gyengén kell látnunk, az első pillanatoktól kezdve a 2. ábra interferencia mintázatát, majd egyre intenzívebben. Éppen ellenkezőleg, ha azt tekintjük, hogy a fény kizárólag testekből áll, akkor a fényképes lemezre gyakorolt hatások könnyen megmagyarázhatók, de az interferencia ábra nem magyarázható: hogyan és miért lennének kiváltságosak bizonyos területek, mások pedig tilosak ezeknek a korpuszoknak?
Ezért meg kell jegyezni a fotonok (vagy bármely más kvantum objektum) hullám-részecske kettősségét , amelyek egyszerre mutatják be mindkét szempontot.
A kvantummechanikában a hullám-részecske kettősséget így magyarázzák: bármelyik kvantumrendszert és ezért bármely részecskét hullámfüggvény írja le, amely bármely mérhető változó valószínűségi sűrűségét képviseli (más néven megfigyelhetőnek is nevezzük ). A részecske helyzete példa ezen változók egyikére. Tehát, mielőtt megfigyelést végeznének, a részecske helyzetét a valószínűségi hullámok szerint írják le.
A két rés két valószínűségi hullámnak tekinthető két másodlagos forrásnak: a két hullám terjed belőlük és interferál (lásd a jobb oldali ábrát ⇒).
A fényképészeti lemez, úgynevezett csökkentését hullámcsomag vagy dekoherencia a hullámfüggvény bekövetkezik: a foton materializálódik, valószínűségi által adott hullám funkció: emeljük néhány helyen (fényes frufru), gyenge vagy nem a mások (sötét frufru).
Ez a kísérlet a kvantummechanika alapvető jellemzőjét is szemlélteti: egy megfigyelés (vagy mérés) elvégzése előtt a részecske helyzetét a valószínűség hullámaiban írják le, de a részecske megfigyelése (vagy mérése) után leírják. pontos értékkel. Ezt a jelenséget a heisenbergi egyenlőtlenségek értik , de úgy értelmezik, hogy vagy egy részecske, vagy hullám szempontjából írja le az objektumot. Választania kell, amelyet a kísérleti módszer méréssel határoz meg.
A kvantummechanika egyik nagy nyitott kérdése az, hogy hogyan lehet a mérési folyamatot konceptualizálni. A szokásos értelmezés a koppenhágai értelmezés , de a dekoherencia elméletét a tudományos közösség is egyre inkább figyelembe veszi. Részletes vita a Quantum Measurement Problem cikkben található.