Дуалност честица таласа и како то функционише

Принцип дуалности таласних честица квантна физика држи ту материју и светлост показују понашање и таласа и честица, у зависности од околности експеримента. То је сложена тема, али једна од најинтригантнијих у физици.

1600-их, Цхристиаан Хуигенс анд Исак Њутн предложене конкурентске теорије о понашању светлости. Хуигенс је предложио таласну теорију светлости док је Невтонова била „цорпусцулар“ (честица) теорија светлости. Хуигенсова теорија имала је неких проблема у усклађивању проматрања, а Невтонов престиж помогао је пружити подршку његовој теорији тако да је више од једног вијека Невтонова теорија била доминантна.

У раном деветнаестом веку појавиле су се компликације за корпускуларну теорију светлости. Дифракција примећено је, због једне ствари, која је имала проблема да адекватно објасни. Експеримент са дуплим прорезом Тхомас Иоунг резултирало је очигледним понашањем таласа и чинило се да чврсто подржава таласну теорију светлости над Њутоновом теоријом честица.

Талас обично мора да се шири кроз неку врсту медија. Медиј који је предложио Хуигенс био је светлећи етер (или у уобичајеној модерној терминологији, етер). Када Јамес Цлерк Маквелл квантификовао је низ једначина (зване Маквелл-ови закони или Маквелл-ове једначине) објаснити електромагнетно зрачење (укључујући видљива светлост) као ширење таласа претпостављао је управо такав етар као медиј ширења, а његова предвиђања била су у складу са експерименталним резултатима.

Проблем са теоријом таласа је био у томе што никад није пронађен такав етер. И не само то, већ су астрономска посматрања у звезданој аберацији Јамеса Брадлеија из 1720. године указивала на то да ће етер морати бити непомичан у односу на Земљу која се креће. Током 1800-их покушавали су директно детектирати етер или његово кретање, а врхунац је био у оном познатом Мицхелсон-Морлеи-ов експеримент. Сви они заправо нису успели да открију етер, што је резултирало великом расправом како је почело двадесето век. Да ли је светлост био талас или честица?

1905 Алберт Ајнштајн објавио свој рад да објасни фотоелектрични ефекат, који је предложио да светлост путује као дискретни снопови енергије. Енергија садржана у фотону била је везана за фреквенцију светлости. Ова теорија је постала позната као теорија фотона светлости (мада реч Фотон није скована тек годинама касније).

Код фотона, етар више није био битан као средство ширења, мада је и даље остављао необичан парадокс зашто се посматра понашање таласа. Још су осебујније биле квантне варијације експеримента са двоструким прорезом и експеримента Цомптон ефекат за које се чинило да потврђују интерпретацију честица.

Како су извођени експерименти и прикупљани докази, импликације су брзо постале јасне и алармантне:

Светлост функционише и као честица и као талас, у зависности од начина спровођења експеримента и када су посматрања изведена.

Питање да ли се таква двојност показала и у материји бавила се одважним де Брогли хипотеза, што је продужило Ајнштајнов рад на повезивању посматране таласне дужине материје са њеним замахом. Експерименти су потврдили хипотезу 1927, што је резултирало Нобеловом наградом за 1929 де Броглие.

Баш попут светлости, чинило се да та материја показује и таласна и честица својства под правим околностима. Очигледно је да масивни предмети имају врло мале таласне дужине, толико мале да је бесмислено размишљати о њима таласно. Али за мале предмете, таласна дужина може бити опажена и значајна, о чему сведочи експеримент двоструког прореза са електронима.

Главни значај дуалности таласних честица је у томе што свако понашање светлости и материје може бити објасњено употребом диференцијалне једначине која представља таласну функцију, углавном у облику од Сцхродингерова једначина. Ова способност описивања стварности у облику таласа у средишту је квантне механике.

Најчешћа интерпретација је да таласна функција представља вероватноћу проналаска одређене честице у одређеној тачки. Ове једнаџбе вероватноће могу да дифрактују, интерферирају и показују друга својства слична таласима, што резултира коначном вероватноћом таласне функције која показује и ова својства. Честице се на крају дистрибуирају у складу са законима вероватноће и зато показују таласна својства. Другим речима, вероватноћа да се честица налази на било којој локацији је талас, али стварни физички изглед те честице није.

Док математика, иако компликована, даје тачне предвиђања, физичко значење ових једначина је много теже схватити. Покушај да се објасни шта дуалност таласних честица „заправо значи“ је кључна тачка расправе у квантној физици. Постоје многе интерпретације које покушавају да објасне, али све их веже исти сет таласних једначина... и, на крају, морају објаснити иста експериментална запажања.

Уредио Др Анне Марие Хелменстине