Dvojnost valnog čestica: je čestica elektrona ili val?

Eyes on the Skies (Full movie) (Lipanj 2019).

Anonim

Svjetlost se smatrala valom koji je prolazio kroz prostorno vrijeme, poput valovitosti u ribnjaku, sve do 1905., kada je Einstein pokazao da se ponaša i kao čestica. Ovo je zapanjujuće otkriće. Einstein je konačno riješio znatiželjan problem fizike o tome kako će svjetlosni incident na metalu izroniti elektrone sa svoje površine. Shvatio je da bi to bilo moguće samo ako se svjetlost ne ponaša kao val, već kao rigid kamenje ili diskretni paketi fotona, kako ih je nazvao. Svjetlosna čestica bi izbacila elektrone na isti način na koji je kugla udarila 8-loptu. Unatoč tome što je nešto zamislio kao vrijeme putovanja, Einstein je osvojio Nobelovu nagradu za ovo otkriće - za objašnjenje fotoelektričnog učinka.

Dvostruki život svjetlosti zbunio je fizičare otkako je Einstein otkrio svoje otkriće. (Foto kredit: Pexels)

S ovim otkrićem, Einstein je izazvao ono što se sada zove Duality valne čestice. Svjetlost vodi dvostrukom životu - postoji kao val kada svjetlost svijeće teče oko objekta koji ometa njegov put, ali također postoji kao čestica kada je ispaljen iz mlaznice LASER-a. Međutim, to je samo svjetlost koja je obdarena ovom promjenljivom osobnošću? Zašto bi priroda potaknula takvu asimetriju? Ili, ima li važno i u mreškama? To su bila pitanja koja je postavio Louis de Broglie u svom dr. Sc. teza 1924. Što je zaključio? Da, materija se ponaša kao valovi.

Eksperiment s dvostrukim prorezom

Davisson i Garner izvodili su značajan eksperiment koji pokazuje da kada se elektroni otpuštaju prema dva proreza, uzorak generiran na fluorescentnom zaslonu postavljenom ispred njih replicira uzorak smetnji. Uzorak smetnji je da valovi što hladnoća ledu. Uzorak interferencije u osnovi je identitet valova. Kada monokromatska svjetlost (svjetlost jedne valne duljine) prođe kroz dva proreza, neki valovi se kombiniraju, dok se drugi poništavaju kako bi oblikovali dugi alternativni uzorak svjetlosnih i tamnih vrpci na prednjoj ploči.

(Foto: NekoJaNekoJa ~ Commonswiki / Wikimedijin Commons)

Međutim, ako biste poslali više teniskih kuglica kroz dva proreza, svaka bi se teniska kuglica jednostavno prolazila kroz bilo koji od njih, a na ekranu bi se formirale samo dvije bande teniska kuglica. To je ono što biste intuitivno očekivali od čestica, kao što su, i, elektroni. Međutim, to nije slučaj. Davisson i Garner pokazali su da kad elektrone šalju elektrone kroz dva proreza, zasvijetliti zaslon ne samo s dva, nego i dugačak alternativni uzorak svjetlosnih i tamnih elektrona!

Hipoteza o Louis De Broglieu

Stigao je do tog odnosa izjednačavanjem energije dvaju asimetričnih sustava za koje vjeruje da su zapravo simetrični: svjetlosni energetski pc i diskretna energija jednog fotona hf. Sada, c = f λ, što daje odnos: p λ = h ili λ = h / p.

Sada, jer je hipoteza istina za elektron, to je istina i za sve što elektroni sastavljaju - što je u osnovi sve. Razmotrimo narančastu košarku. Razlog zašto košarka ne propušta i protječe oko objekata je da je valna duljina povezana s njom infinitezimalna. Uključite vrijednosti i vidite je za sebe. Bez obzira koliko je masivan ili koliko se brzo kreće, ne može nadmašiti količinu u brojniku. Valna duljina jedne košarke mjere u mjerilu

metara.

Izračun valne duljine de Broglie povezan s košarom od 1kg.

Dvostruki slitni eksperiment može se provesti samo ako je val valne duljine usporediv s širinom proreza. Ako biste trebali replicirati rezultat Davisson i Garner na košarku, zahtijevalo biste proreze koji su bili širina metara. Trenutna tehnologija to ne dopušta. Međutim, valna duljina elektrona mjeri na skali od metara. To je zbog malene mase elektrona i brze brzine. Razvoj širina proreza dopušta trenutna tehnologija.

U osnovi, košarka posjeduje valnu duljinu, ali je daleko premalena da se percipira. Ne samo košarka, nego i ti, ja i sve u cijelom Svemiru pokazujemo dualnost valnog čestica. Priroda je, naposljetku, simetrična.

Misterija koja je kvantna mehanika

Njihovo otkriće blatantly ismijava našu percepciju rigidnosti. Dobro, pustit ću se na moje preživljavanje, ali kako mogu zamisliti elektronske valove? Ta kontradikcija, ta nesposobnost da shvatimo elektroni val u tradicionalnom smislu valova, duboko nas uznemirava. Srećom, može se naći predah (ili delirij) u činjenici da ti valovi nisu tradicionalni valovi koje nalazimo u ribnjaku, nego "probabilistični" valovi. Dok se može pronaći kamen koji uzrokuje valovitost, isto se ne može reći o elektronu.

Za probabilistički val, kamen se ne može locirati, jer je njegovo mjesto nesigurno. Ne može se izričito reći da je "ovdje" ili "tamo". Ono što se može reći je da je kamen više "vjerojatno" biti pronađen ovdje ili tamo. Na neki način, to je "posvuda", njegovo je mjesto "distribuirano". Međutim - i zato sam privukao predah s delirijem - ovaj pojam probabilističkih valova podrazumijeva da elektron istječe istovremeno u oba proreza!

Ono što se može reći je da je kamen više "vjerojatno" biti pronađen ovdje ili tamo. Na neki način, to je "posvuda", njegovo je mjesto "distribuirano".

Fizičari su bili neumoljivi. Htjeli su vidjeti tu "raspodjelu" vlastitim očima. Postavili su skrupulozne detektore koji bi nadgledali elektron dok je prolazio kroz prorez. Ono što su promatrali zapanjilo ih je. Sada kada su promatrali svaki prolazni elektron, slika na zaslonu pretpostavlja predviđeni uzorak čestice ili teniske kugle! Rezultirajući uzorak jednostavno se sastojao od dva vertikalna traka ispunjena elektronima. U ovom trenutku, svatko je stavio ruke u bespomoćnost i vjerojatno je uskliknuo: "Imali smo dovoljno".

Ono što se dogodilo bilo je da je samo čin promatranja nepromjenjivo promijenio prirodu elektrona. Dva koncepta objašnjavaju ovo apsurdno ponašanje, dva koncepta koja se ne-znanstvena kultura tako lako prepoznaje s tajnama kvantnog svijeta: Heisenbergovu principu nesigurnosti i Schrödingerovu nesretnu mačku.

Analiziranje dvostruke prirode elektrona je poput slušanja pjesme: kada se veselimo da cijenimo tekst (mjesto), gubite trag lijepog klavira, mekane gitare i periodičnih bongova, bitnih melodija (zamaha) koji čine njegov melodija. Dok ste odlučni da cijenite melodije, izgubite trag od srčanih tekstova. Ne možemo posuditi naše uređaje na jedan aspekt; moramo postići prikladan kompromis da cijenimo glazbu u cjelini.

U eksperimentima bez tih delikatnih detektora, vrlo smo neizvjesni o točnom mjestu elektrona i vrlo sigurni o njegovoj energiji i stoga zamahu. U području kvantne mehanike, zamah se izjednačava s raspodjelom ili valnim duljinama ili valovima, dok je mjesto jednako točnosti ili čestica. Znanje momentum stoga uzrokuje da se elektron ponaša kao val. Dok smo u eksperimentima s detektorima vrlo sigurni u položaj elektrona i neizvjesni o njegovu zamahu. Ovaj čin promatranja ga prisiljava da se ponaša kao čestica. Promjene u svojoj prirodi, kao što je spomenuto, nepovratne su. Mačka je i mrtva i živa sve dok ne otvorite okvir da biste je vidjeli za sebe. Jezivo.

Ukratko, zajedno, elektron je i čestica i val dok ne izmjerimo niti jednu od njegovih značajki - zamah ili mjesto. Kad se jednom od njih mjeri, njegova se priroda trajno odlučuje.

De Broglie je osvojio Nobelovu nagradu za svoje duboko otkriće, čije su implikacije kasnije postale središnje mjesto parcele znanstvene fantastike. U stvarnom svijetu, de Broglieovo otkriće predstavlja veliku prijetnju Mooreovom zakonu, koji navodi da transistori ugrađeni na poluvodičku podlogu moraju se svake godine udvostručiti. Trenutno, u rasponu od nanometara, žice će na kraju postati usporedive s veličinom elektrona, čime se stvarni kvantni efekti mogu pokvariti s njihovim radom. Inženjeri se pitaju kako male žice moraju biti prije no što elektroni struju oko aparata kao da rade oko proreza.

Međutim, valna priroda elektrona također je utrošila put razvoju elektronskih mikroskopa. Ovi mikroskopi ne osvjetljavaju uzorke svjetlom, nego elektronima. Valovi elektrona potom su uvećani snažnim magnetima, baš kao i valovi svjetlosti povećani objektivima. Mogu postići povećanje do 10.000.000 puta. To je omogućilo mikrobiologima i kemičarima da studiraju molekule u zapanjujućim detaljima. Ponovno, naše tradicionalno tumačenje valova je zbunjeno, ali kako Neil deGrasse Tyson tvrdi: "Svemir nema nikakvu obvezu da vam ima smisla."