Bølgepartikkeldualitet og hvordan det fungerer

Duncan1890 / Getty Images

Bølge-partikkel-dualitetsprinsippet til kvantefysikk hevder at materie og lys viser oppførselen til både bølger og partikler, avhengig av omstendighetene til eksperimentet. Det er et komplekst emne, men blant de mest spennende innen fysikk.

Bølge-partikkeldualitet i lys

På 1600-tallet ble Christiaan Huygens og Isaac Newton foreslått konkurrerende teorier for lysets oppførsel. Huygens foreslo en bølgeteori om lys mens Newtons var en 'korpuskulær' (partikkel) teori om lys. Huygens teori hadde noen problemer med å matche observasjon og Newtons prestisje bidro til å gi støtte til teorien hans, så i over et århundre var Newtons teori dominerende.

På begynnelsen av det nittende århundre oppsto det komplikasjoner for den korpuskulære teorien om lys. Diffraksjon hadde blitt observert, for en ting, som den hadde problemer med å forklare tilstrekkelig. Thomas Youngs dobbeltspalteeksperiment resulterte i åpenbar bølgeadferd og så ut til å støtte bølgeteorien om lys over Newtons partikkelteori.

En bølge må generelt forplante seg gjennom et medium av noe slag. Mediet foreslått av Huygens hadde vært lysende eter (eller i mer vanlig moderne terminologi, eter ). Når James Clerk Maxwell kvantifiserte et sett med ligninger (kalt Maxwells lover eller Maxwells ligninger ) å forklare elektromagnetisk stråling (gjelder også synlig lys ) som forplantning av bølger, antok han nettopp en slik eter som medium for forplantning, og spådommene hans var i samsvar med eksperimentelle resultater.

Problemet med bølgeteorien var at det aldri hadde blitt funnet en slik eter. Ikke bare det, men astronomiske observasjoner i stjerneavvik av James Bradley i 1720 hadde indikert at eteren måtte være stasjonær i forhold til en jord i bevegelse. Gjennom 1800-tallet ble det gjort forsøk på å oppdage eteren eller dens bevegelse direkte, og kulminerte med den berømte Michelson-Morley eksperiment . De klarte ikke alle å oppdage eteren, noe som resulterte i en enorm debatt da det tjuende århundre begynte. Var lys en bølge eller en partikkel?

I 1905, Albert Einstein publiserte papiret sitt for å forklare fotoelektrisk effekt , som foreslo at lys reiste som diskrete energibunter. Energien inneholdt i et foton var relatert til lysets frekvens. Denne teorien ble kjent som fotonteori av lys (selv om ordet foton ikke ble laget før år senere).

Med fotoner var eteren ikke lenger essensielt som et middel for forplantning, selv om det fortsatt etterlot det merkelige paradokset om hvorfor bølgeatferd ble observert. Enda mer særegne var kvantevariasjonene til dobbeltspalteeksperimentet og Compton effekt som så ut til å bekrefte partikkeltolkningen.

Etter hvert som eksperimenter ble utført og bevis akkumulert, ble implikasjonene raskt klare og alarmerende:

Lys fungerer både som en partikkel og en bølge, avhengig av hvordan eksperimentet gjennomføres og når observasjoner gjøres.

Bølge-partikkeldualitet i materien

Spørsmålet om en slik dualitet også viste seg i materien ble taklet av de dristige de Broglies hypotese , som utvidet Einsteins arbeid for å relatere den observerte bølgelengden til materie til dens momentum. Eksperimenter bekreftet hypotesen i 1927, noe som resulterte i en Nobelpris i 1929 for av Broglie .

Akkurat som lys, så det ut til at materie viste både bølge- og partikkelegenskaper under de rette omstendighetene. Tydeligvis viser massive objekter veldig små bølgelengder, så små faktisk at det er ganske meningsløst å tenke på dem på en bølgeform. Men for små gjenstander kan bølgelengden være observerbar og signifikant, noe dobbeltspalteeksperimentet med elektroner vitner om.

Betydningen av bølge-partikkeldualitet

Hovedbetydningen av bølge-partikkel-dualiteten er at all oppførsel av lys og materie kan forklares ved bruk av en differensialligning som representerer en bølgefunksjon, vanligvis i form av Schrödinger-ligningen . Denne evnen til å beskrive virkeligheten i form av bølger er kjernen i kvantemekanikken.

Den vanligste tolkningen er at bølgefunksjonen representerer sannsynligheten for å finne en gitt partikkel på et gitt punkt. Disse sannsynlighetsligningene kan diffraktere, forstyrre og vise andre bølgelignende egenskaper, noe som resulterer i en endelig sannsynlighetsbølgefunksjon som også viser disse egenskapene. Partikler ender opp fordelt i henhold til sannsynlighetslovene og viser derfor bølgeegenskaper . Med andre ord er sannsynligheten for at en partikkel befinner seg på et hvilket som helst sted en bølge, men det faktiske fysiske utseendet til den partikkelen er det ikke.

Selv om matematikken, selv om den er komplisert, gir nøyaktige spådommer, er den fysiske betydningen av disse ligningene mye vanskeligere å forstå. Forsøket på å forklare hva bølge-partikkel-dualiteten 'faktisk betyr' er et sentralt debattpunkt innen kvantefysikk. Det finnes mange tolkninger for å prøve å forklare dette, men de er alle bundet av det samme settet med bølgeligninger... og må til slutt forklare de samme eksperimentelle observasjonene.

Redigert avAnne Marie Helmenstine, Ph.D.