Cos'è la dualità onda-particella?

Negli ultimi cento anni, la scienza ha compiuto grandi passi in avanti nello studio della struttura del nostro mondo, sia a livello microscopico che macroscopico. Incredibili scoperte portate a noi da speciali e teorie generali della relatività la meccanica quantistica eccita ancora le menti del pubblico. Tuttavia, qualsiasi persona istruita deve comprendere almeno le basi della scienza moderna. Uno dei momenti più impressionanti e importanti è la dualità onda-particella. Questa è una scoperta paradossale, la cui comprensione è al di là del controllo della percezione intuitiva quotidiana.

Corpuscoli e onde

Per la prima volta, il dualismo è stato scoperto nello studio della luce, che si è comportato in modo molto diverso a seconda delle condizioni. Da un lato, si è scoperto che la luce è un ottico onda elettromagnetica. D'altra parte - una particella discreta (azione chimica della luce). Inizialmente, gli scienziati ritenevano che queste due rappresentazioni si escludessero a vicenda. Tuttavia, numerosi esperimenti hanno dimostrato che questo non è il caso. Gradualmente, la realtà di una cosa come la dualità onda-particella divenne ordinaria. Questo concetto è la base per studiare il comportamento di oggetti quantistici complessi, che non sono né onde né particelle, ma acquisiscono solo le proprietà di quest'ultimo o del primo, a seconda di determinate condizioni.

Esperienza con due slot

La diffrazione del fotone è una chiara dimostrazione del dualismo. Il rilevatore di particelle cariche è uno schermo per foto o luminescente. Ogni singolo fotone era contrassegnato da un bagliore o un punto flash. La combinazione di tali segni ha dato uno schema di interferenza - l'alternanza di strisce debolmente e fortemente illuminate, che è una caratteristica della diffrazione delle onde. Questo è spiegato da un concetto come la dualità onda-particella. Il famoso fisico e premio Nobel Richard Feynman disse che la materia si comporta su una scala ridotta, così che è impossibile percepire la "naturalezza" del comportamento dei quanti.

Dualismo universale

Tuttavia, questa esperienza è valida non solo per i fotoni. Si è scoperto che il dualismo è una proprietà di tutta la materia, ed è universale. Heisenberg sosteneva che la materia esiste alternativamente in entrambe le varianti. Oggi è assolutamente provato che entrambe le proprietà si manifestano completamente simultaneamente.

Onda corpuscolare

E come spiegare questo comportamento della materia? L'onda, che è inerente ai corpuscoli (particelle), è chiamata onda de Broglie, a nome del giovane scienziato aristocratico, che ha proposto una soluzione a questo problema. Si considera che le equazioni di de Broglie descrivono la funzione d'onda, che nel quadrato determina solo la probabilità che una particella si trovi in ​​momenti diversi in punti diversi nello spazio. In poche parole, l'onda di de Broglie è probabilità. Quindi, è stata stabilita un'uguaglianza tra il concetto matematico (probabilità) e il processo reale.

Campo quantico

Cosa sono i corpuscoli di sostanza? In generale, questi sono quanti campi d'onda. Un fotone è un quanto di un campo elettromagnetico, un positrone e un elettrone è un elettrone-positrone, un mesone è un quanto di un campo mesonico, e così via. L'interazione tra i campi d'onda è spiegata dallo scambio tra loro da alcune particelle intermedie, ad esempio, nel caso dell'interazione elettromagnetica, i fotoni vengono scambiati. Da ciò segue direttamente un'altra conferma che i processi ondulatori descritti da de Broglie sono assolutamente fenomeni fisici reali. E la dualità onda-particella non agisce come una "misteriosa proprietà nascosta" che caratterizza la capacità delle particelle di "reincarnarsi". Dimostra chiaramente due azioni correlate: il movimento di un oggetto e il relativo processo ondulatorio.

Effetto tunnel

La dualità della luce delle onde corpuscolari è associata a molti altri fenomeni interessanti. La direzione dell'azione dell'onda de Broglie si manifesta nel cosiddetto effetto tunnel, ovvero quando i fotoni penetrano attraverso la barriera di energia. Questo fenomeno è dovuto al valore medio che supera il momento particellare al momento degli antinodi dell'onda. Con l'aiuto del tunneling è stato possibile sviluppare una varietà di dispositivi elettronici.

Interferenza dei quanti di luce

La scienza moderna parla dell'interferenza dei fotoni come misteriosamente sull'interferenza degli elettroni. Si scopre che un fotone, che è una particella indivisibile, può viaggiare contemporaneamente lungo qualsiasi percorso aperto e interferire con se stesso. Se consideriamo che la dualità onda-particella delle proprietà di una sostanza e di un fotone è un'onda che copre molti elementi strutturali, allora la sua divisibilità non è esclusa. Ciò contraddice le precedenti visioni sulla particella come una formazione elementare indivisibile. Possedendo una certa massa di moto, il fotone forma un'onda longitudinale associata a questo movimento, che precede la particella stessa, poiché la velocità dell'onda longitudinale è maggiore di quella dell'elettromagnetismo trasversale. Pertanto, ci sono due spiegazioni per l'interferenza del fotone con se stessa: la particella si divide in due componenti, che interferiscono l'una con l'altra; L'onda fotonica viaggia in due modi e forma uno schema di interferenza. È stato sperimentalmente scoperto che un modello di interferenza viene creato passando alternativamente singole particelle di fotoni cariche attraverso un interferometro. Questo conferma la tesi che ogni singolo fotone interferisce con se stesso. Ciò è particolarmente evidente se si tiene conto del fatto che la luce (non coerente e non monocromatica) è una raccolta di fotoni emessi dagli atomi in processi interconnessi e casuali.

Cos'è la luce?

Un'onda luminosa è un campo elettromagnetico non localizzato che è distribuito nello spazio. Il campo elettromagnetico di un'onda ha una densità di energia di massa che è proporzionale al quadrato dell'ampiezza. Ciò significa che la densità di energia può cambiare di qualsiasi valore, cioè è continua. Da un lato, la luce è un flusso di quanti e fotoni (corpuscoli), che, a causa dell'universalità di un tale fenomeno come la dualità onda-particella, sono proprietà di un'onda elettromagnetica. Ad esempio, nei fenomeni di interferenza e diffrazione e in scala, la luce dimostra chiaramente le caratteristiche di un'onda. Ad esempio, un singolo fotone, come descritto sopra, passando attraverso una doppia fenditura, crea un modello di interferenza. Con l'aiuto di esperimenti, è stato dimostrato che un singolo fotone non è un impulso elettromagnetico. Non può essere diviso in fasci con separatori di fasci, come dimostrano i fisici francesi Aspe, Roger e Grange.

La luce ha anche proprietà corpuscolari, che appaiono quando Effetto Compton e con l'effetto fotoelettrico. Un fotone può comportarsi come una particella che viene assorbita da oggetti nel loro complesso, le cui dimensioni sono molto più piccole della sua lunghezza d'onda (ad esempio, un nucleo atomico). In alcuni casi, i fotoni in generale possono essere considerati oggetti punto. Non c'è differenza da quale posizione prendere in considerazione le proprietà della luce. Nel campo della visione a colori, il flusso di luce può svolgere le funzioni di entrambe le onde e particelle - i fotoni come un quanto di energia. Un punto oggetto focalizzato sul fotorecettore della retina, ad esempio sulla membrana del cono, può consentire all'occhio di formare il proprio valore filtrato come i principali raggi spettrali della luce e ordinarli in base alla lunghezza d'onda. Secondo i valori dell'energia dei quanti, nel cervello il soggetto sarà trasferito alla sensazione di colore (immagine ottica focalizzata).