Dualitatea undă–corpuscul

Clasic de particule și val de teorii ale lightEdit

Democrit (secolul 5 Î. hr.) a susținut că toate lucrurile din univers, inclusiv lumina, sunt compuse din indivizibil sub-componente., Euclid (4-3-lea Î. hr.) dă tratate despre propagarea luminii, afirmă principiul mai scurt traiectoria luminii, inclusiv mai multe reflecții pe oglinzi, inclusiv sferică, în timp ce Plutarh (1st-2nd century AD) descrie mai multe reflecții pe oglinzi sferice se discută crearea de mai mare sau mai mic de imagini, real sau imaginar, inclusiv în caz de chiralitate de imagini., La începutul secolului al 11-lea, omul de știință arab Ibn al-Haytham a scris prima Carte cuprinzătoare de optica descrie reflexie, refracție, și funcționarea de o lentilă pinhole prin razele de lumină călătoresc de la punctul de emisie pentru ochi. El a afirmat că aceste raze erau compuse din particule de lumină. În 1630, René Descartes a popularizat și acreditate opuse val descriere în tratatul său despre lumină, Lume (Descartes), arată că comportamentul de lumină ar putea fi re-creat de modelare val ca perturbații într-un mediu universal, adică luminiferous eter., Începând cu anul 1670 și progresând pe parcursul a trei decenii, Isaac Newton și-a dezvoltat și susținut teoria corpusculară, argumentând că liniile perfect drepte de reflecție demonstrează natura particulelor luminii, doar particulele pot călători în astfel de linii drepte. El a explicat refracția afirmând că particulele de lumină s-au accelerat lateral la intrarea într-un mediu mai dens., În același timp, Newton contemporanii lui Robert Hooke și Christiaan Huygens, și mai târziu Augustin-Jean Fresnel, din punct de vedere matematic rafinat val de vedere, arată că, dacă lumina a călătorit la viteze diferite în diferite mass-media, refracție ar putea fi ușor explicat ca mediu dependente de propagare a undelor de lumină. Principiul Huygens-Fresnel rezultat a fost extrem de reușit în reproducerea comportamentului luminii și a fost ulterior susținut de descoperirea lui Thomas Young a interferenței undelor de lumină prin experimentul său dublu în 1801., Valul de vedere nu a făcut imediat deplasa ray și particule de vedere, dar a început să domine gândirea științifică despre lumina de la mijlocul secolului al 19-lea, când s-ar putea explica fenomene de polarizare că alternativele nu a putut.James Clerk Maxwell a descoperit că putea aplica ecuațiile lui Maxwell descoperite anterior, împreună cu o ușoară modificare pentru a descrie undele auto-propagatoare ale câmpurilor electrice și magnetice oscilante. A devenit rapid evident că lumina vizibilă, lumina ultravioletă și lumina infraroșie erau toate unde electromagnetice de frecvență diferită.,

• Redare media

  Animație care arată dualitate undă-particulă cu un dublu-slit experiment și efectul de observator. Măriți dimensiunea pentru a vedea explicații în videoclipul propriu-zis. A se vedea, de asemenea, un test bazat pe această animație.

• efecte de Particule face vizibile modelul de interferență a undelor.,

• O particulă cuantică este reprezentat de un val de pachete.

• Interferență a unei particule cuantice cu sine.în 1901, Max Planck a publicat o analiză care a reușit să reproducă spectrul observat al luminii emise de un obiect strălucitor., Pentru a realiza acest lucru, Planck a trebuit să facă o presupunere matematică a energiei cuantificate a oscilatoarelor, adică atomii corpului negru care emit radiații. Einstein a propus mai târziu că radiația electromagnetică în sine este cuantificată, Nu Energia atomilor radianți.radiația corpului negru, emisia de energie electromagnetică datorată căldurii unui obiect, nu a putut fi explicată doar din argumentele clasice., Teorema de echipartiție a mecanicii clasice, baza tuturor teoriilor termodinamice clasice, a declarat că energia unui obiect este împărțită în mod egal între modurile vibraționale ale obiectului. Dar aplicarea aceluiași raționament la emisia electromagnetică a unui astfel de obiect termic nu a fost atât de Reușită. Că obiectele termice emit lumină au fost cunoscute de mult timp. Deoarece lumina era cunoscută a fi valuri de electromagnetism, fizicienii sperau să descrie această emisie prin legi clasice. Acest lucru a devenit cunoscut sub numele de problema corpului negru., Deoarece teorema echipartiției a funcționat atât de bine în descrierea modurilor vibraționale ale obiectului termic în sine, era firesc să presupunem că ar funcționa la fel de bine în descrierea emisiei radiative a unor astfel de obiecte. Dar o problemă a apărut rapid dacă fiecare mod a primit o partiție egală de energie, modurile de lungime de undă scurtă ar consuma toată energia. Acest lucru a devenit clar atunci când trasarea Rayleigh–Jeans de lege, care, în timp ce prezice corect intensitatea de lungime de undă a emisiilor, a prezis infinit total de energie ca intensitatea diferă la infinit pentru lungimi de undă scurte., Aceasta a devenit cunoscută sub numele de catastrofa ultravioletă.în 1900, Max Planck a emis ipoteza că frecvența luminii emise de corpul negru depinde de frecvența oscilatorului care a emis-o, iar energia acestor oscilatoare a crescut liniar cu frecvența (conform e = hf unde h este constanta lui Planck și f este frecvența)., Aceasta nu a fost o propunere nesănătoasă, având în vedere că oscilatoarele macroscopice funcționează similar atunci când studiază cinci oscilatoare armonice simple de amplitudine egală, dar frecvență diferită, oscilatorul cu cea mai mare frecvență posedă cea mai mare energie (deși această relație nu este liniară ca cea a lui Planck)., Cerând ca lumina de înaltă frecvență să fie emisă de un oscilator de frecvență egală și cerând în continuare ca acest oscilator să ocupe o energie mai mare decât una de frecvență mai mică, Planck a evitat orice catastrofă, dând o partiție egală oscilatoarelor de înaltă frecvență produse succesiv mai puține oscilatoare și lumină mai puțin emisă. Și ca și în distribuția Maxwell-Boltzmann, oscilatoarele cu frecvență joasă și cu energie redusă au fost suprimate de atacul de jiggling termic de la oscilatoarele de energie mai mari, ceea ce le-a crescut în mod necesar energia și frecvența.,cel mai revoluționar aspect al tratamentului lui Planck asupra corpului negru este că se bazează în mod inerent pe un număr întreg de oscilatoare în echilibru termic cu câmpul electromagnetic. Aceste oscilatoare își dau întreaga energie câmpului electromagnetic, creând un cuantum de lumină, de câte ori sunt excitați de câmpul electromagnetic, absorbind un cuantum de lumină și începând să oscileze la frecvența corespunzătoare., Planck a creat intenționat o teorie atomică a corpului negru, dar a generat neintenționat o teorie atomică a luminii, unde corpul negru nu generează niciodată cuante de lumină la o anumită frecvență cu o energie mai mică decât hf. Cu toate acestea, odată ce și-a dat seama că a cuantificat câmpul electromagnetic, el a denunțat particulele de lumină ca o limitare a aproximării sale, nu o proprietate a realității.

  Fotoelectric effectEdit

  articol Principal: efectul Fotoelectric

  efectul fotoelectric., Fotonii de intrare din stânga lovesc o placă metalică (partea de jos) și scot electroni, înfățișați ca zburând spre dreapta.în timp ce Planck a rezolvat catastrofa ultravioletă folosind atomi și un câmp electromagnetic cuantificat, majoritatea fizicienilor contemporani au fost de acord că „quanta de lumină” a lui Planck a reprezentat doar defecte în modelul său. O derivare mai completă a radiației corpului negru ar produce un câmp electromagnetic complet continuu și” asemănător undelor ” fără cuantizare., Cu toate acestea, în 1905, Albert Einstein a luat modelul corpului negru al lui Planck pentru a-și produce soluția la o altă problemă remarcabilă a zilei: efectul fotoelectric, în care electronii sunt emise de atomi atunci când absorb energia din lumină. Deoarece existența lor a fost teoretizată cu opt ani în urmă, fenomenele au fost studiate cu modelul electronic în minte în laboratoarele de Fizică din întreaga lume.în 1902, Philipp Lenard a descoperit că energia acestor electroni ejectați nu depinde de intensitatea luminii care intră, ci de frecvența acesteia., Deci, dacă cineva strălucește puțină lumină de joasă frecvență pe un metal, câțiva electroni cu energie redusă sunt ejectați. Dacă cineva strălucește acum un fascicul foarte intens de lumină de joasă frecvență pe același metal, o mulțime întreagă de electroni sunt evacuați; cu toate acestea, ei posedă aceeași energie scăzută, există doar mai mulți dintre ei. Cu cât există mai multă lumină, cu atât mai mulți electroni sunt ejectați. În timp ce pentru a obține electroni de energie înaltă, trebuie să iluminați metalul cu lumină de înaltă frecvență. Ca și radiația corpului negru, aceasta era în contradicție cu o teorie care invoca transferul continuu de energie între radiație și materie., Cu toate acestea, ea poate fi încă explicată folosind o descriere complet clasică a luminii, atâta timp cât materia este mecanică cuantică în natură.dacă s-ar folosi Quanta energetică a lui Planck și s-ar cere ca radiația electromagnetică la o anumită frecvență să poată transfera energie în materie doar în multipli întregi ai unui cuantum energetic HF, atunci efectul fotoelectric ar putea fi explicat foarte simplu. Lumina de joasă frecvență ejectează numai electroni cu energie redusă, deoarece fiecare electron este excitat de absorbția unui singur foton., Creșterea intensității luminii de joasă frecvență (creșterea numărului de fotoni) crește doar numărul de electroni excitați, nu energia lor, deoarece energia fiecărui foton rămâne scăzută. Numai prin creșterea frecvenței luminii și, astfel, prin creșterea energiei fotonilor, se pot scoate electroni cu energie mai mare. Astfel, folosind constanta lui Planck h pentru a determina energia fotonilor pe baza frecvenței lor, energia electronilor ejectați ar trebui să crească liniar cu frecvența, gradientul liniei fiind constanta lui Planck., Aceste rezultate nu au fost confirmate până în 1915, când Robert Andrews Millikan a produs rezultate experimentale în perfectă concordanță cu predicțiile lui Einstein.în timp ce energia electronilor ejectați reflecta constanta lui Planck, existența fotonilor nu a fost dovedită în mod explicit până la descoperirea efectului antibunching foton. Aceasta se referă la observația că odată ce un singur emițător (un atom, moleculă, emițător de stare solidă etc.) radiază un semnal luminos detectabil, nu poate elibera imediat un al doilea semnal decât după ce emițătorul a fost re-excitat., Acest lucru duce la o întârziere de timp cuantificabilă statistic între emisiile de lumină, astfel încât detectarea mai multor semnale devine din ce în ce mai puțin probabilă, deoarece timpul de observare scade sub durata de viață a emițătorului. Efectul poate fi demonstrat într-un laborator la nivel de licență.acest fenomen ar putea fi explicat doar prin fotoni. „Quanta de lumină” a lui Einstein nu ar fi numită fotoni până în 1925, dar chiar și în 1905 au reprezentat exemplul chintesențial al dualității val-particule., Radiația electromagnetică se propagă după ecuații de undă liniară, dar poate fi emisă sau absorbită doar ca elemente discrete, acționând astfel ca o undă și o particulă simultan.în 1905, Albert Einstein a oferit o explicație a efectului fotoelectric, un experiment pe care teoria undelor luminii nu a reușit să-l explice. El a făcut acest lucru postulând existența fotonilor, cuante de energie luminoasă cu calități de particule.,în efectul fotoelectric, sa observat că strălucirea unei lumini pe anumite metale ar duce la un curent electric într-un circuit. Se presupune că lumina scotea electroni din metal, provocând curgerea curentului. Cu toate acestea, folosind cazul de potasiu ca exemplu, s-a observat, de asemenea, că, în timp ce o lumină albastră slabă a fost suficientă pentru a provoca un curent, chiar și cea mai puternică și mai strălucitoare lumină roșie disponibilă cu tehnologia vremii nu a provocat deloc curent., Conform teoriei clasice a luminii și a materiei, puterea sau amplitudinea unui val de lumină era proporțională cu luminozitatea sa: o lumină puternică ar fi trebuit să fie suficient de puternică pentru a crea un curent mare. Cu toate acestea, ciudat, nu a fost așa.

  Einstein a explicat această enigmă prin postularea că electronii pot primi energie de la câmpul electromagnetic numai în unități discrete (cuante sau fotoni): o cantitate de energie E că a fost legat de frecvența f a luminii de către

  E = h f {\displaystyle E=hf\,}

  în cazul în care h este constanta lui Planck (6.626 × 10-34 Js)., Doar fotonii cu o frecvență suficient de mare (peste o anumită valoare de prag) ar putea bate un electron liber. De exemplu, fotonii de lumină albastră au avut suficientă energie pentru a elibera un electron din metal, dar fotonii de lumină roșie nu au făcut-o. Un foton de lumină deasupra frecvenței de prag ar putea elibera un singur electron; cu cât este mai mare frecvența unui foton, cu atât este mai mare energia cinetică a electronului emis, dar nicio cantitate de lumină sub frecvența de prag nu ar putea elibera un electron. Pentru a încălca această lege ar fi nevoie de lasere extrem de intense care nu au fost încă inventate., Fenomenele dependente de intensitate au fost acum studiate în detaliu cu astfel de lasere.Einstein a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1921 pentru descoperirea legii efectului fotoelectric.

  lui de Broglie hypothesisEdit

  articol Principal: val de Materie

  Propagare a de Broglie valuri în 1d—real, parte a complexului de amplitudine este albastru, partea imaginară este verde., Probabilitatea (prezentată ca opacitatea culorii) de a găsi particula într-un anumit punct x este împrăștiată ca o formă de undă; nu există o poziție definită a particulei. Pe măsură ce amplitudinea crește peste zero, curbura scade, astfel încât amplitudinea scade din nou și invers—rezultatul este o amplitudine alternativă: un val. Sus: val de avion. Jos: val de pachete.,

  În 1924, Louis-Victor de Broglie formulat de Broglie ipoteza, susținând că materia are o val-ca natura, el a legat de lungimea de undă și de impuls:

  λ = h p {\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}}

  formula lui De Broglie a fost confirmată trei ani mai târziu pentru electronii cu observația de difractie de electroni în două experimente independente. La Universitatea din Aberdeen, George Paget Thomson a trecut un fascicul de electroni printr-o peliculă subțire de metal și a observat modelele de interferență prezise., La Bell Labs, Clinton Joseph Davisson și Lester Riech Germer ghidat cu fascicul de electroni printr-o rețea cristalină în experiment cunoscut sub numele de Davisson–Germer experiment.

  De Broglie a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1929 pentru ipoteza sa. Thomson și Davisson au împărțit Premiul Nobel pentru Fizică în 1937 pentru munca lor experimentală.,

  incertitudinii al lui Heisenberg principleEdit

  articol Principal: principiul Incertitudinii

  În munca sa privind formularea mecanicii cuantice, Werner Heisenberg postulat lui principiul incertitudinii, care prevede:

  Δ x Δ p ≥ 1 2 ℏ {\displaystyle \Delta x\,\Delta p\geq {\tfrac {1}{2}}\hbar }

  în cazul în care

  Δ {\displaystyle \Delta } aici indică abaterea standard, o măsură de răspândirea sau incertitudine; x și p sunt o particulă poziției și impulsului respectiv. ℏ {\displaystyle \hbar } este redus constanta lui Planck (constanta lui Planck împărțită la 2 π {\displaystyle \pi } ).,

  Heisenberg a explicat inițial acest lucru ca o consecință a procesului de măsurare: măsurarea exactă a poziției ar perturba impulsul și invers, oferind un exemplu („microscopul cu raze gamma”) care depindea crucial de ipoteza de Broglie. Gândul este acum, însă, că acest lucru explică doar parțial fenomenul, dar că incertitudinea există și în particula însăși, chiar înainte de efectuarea măsurătorilor.,de fapt, explicația modernă a principiului incertitudinii, care extinde interpretarea de la Copenhaga prezentată mai întâi de Bohr și Heisenberg, depinde și mai mult de natura undelor unei particule. Doar ca este lipsit de sens să discutăm despre locația exactă a unui val pe un șir de caractere, particulele nu au perfect poziții precise; la fel, doar ca este lipsit de sens pentru a discuta despre lungimea de undă de un „puls” val călătoresc pe un șir de caractere, particulele nu au perfect precis impulsurile care corespunde inversul lungimii de undă., Mai mult decât atât, atunci când poziția este relativ bine definit, val este puls-ca și are o lungime de undă foarte prost definite, și, astfel, impuls. Și invers, atunci când impulsul, și astfel lungimea de undă, este relativ bine definit, valul pare lung și sinusoidal și, prin urmare, are o poziție foarte prost definită.

  de Broglie–Bohm theoryEdit

  articol Principal: de Broglie–Bohm teorie

  Couder experimente, „materializarea” pilot wave model.,

  de Broglie însuși a propus o construcție pilot de undă pentru a explica dualitatea observată a particulelor de undă. În acest sens, fiecare particulă are o poziție și un impuls bine definite, dar este ghidată de o funcție de undă derivată din ecuația lui Schrödinger. Teoria undelor pilot a fost inițial respinsă deoarece a generat efecte non-locale atunci când a fost aplicată sistemelor care implică mai mult de o particulă. Non-localitate, cu toate acestea, în curând a devenit stabilit ca o caracteristică integrantă a teoriei cuantice și David Bohm extins modelul de Broglie să-l includă în mod explicit.,în reprezentarea rezultată, numită și teoria de Broglie–Bohm sau mecanica Bohmiană, dualitatea undă-particulă dispare și explică comportamentul undelor ca o împrăștiere cu aspect de undă, deoarece mișcarea particulei este supusă unei ecuații de ghidare sau a unui potențial cuantic.

  această idee mi se pare atât de naturală și simplă, pentru a rezolva dilema undelor–particule într-un mod atât de clar și obișnuit, încât este un mare mister pentru mine că a fost atât de general ignorat. – J. S.,Bell

  cea mai bună ilustrare a modelului val-pilot a fost dată de experimentele Couder din 2010 „walking drops”, demonstrând comportamentul val-pilot într-un analog mecanic macroscopic.