Natyra elektromagnetike e dritës është dualizmi grimcë-valë. Çfarë është dualiteti valë-grimcë? Eksperiment me çarje të dyfishtë

Dualiteti i dritës valë-grimcë do të thotë që drita ka njëkohësisht vetitë e valëve elektromagnetike të vazhdueshme dhe vetitë e fotoneve diskrete. Ky përfundim themelor u bë nga fizikanët në shekullin e 20-të dhe u pasua nga idetë e mëparshme rreth dritës. Njutoni besonte se drita ishte një rrymë trupash, domethënë një rrjedhë grimcash të materies që fluturonin në një vijë të drejtë. Kjo teori shpjegoi mirë përhapjen drejtvizore të dritës. Por lindën vështirësi në shpjegimin e ligjeve të reflektimit dhe përthyerjes, dhe fenomenet e difraksionit dhe ndërhyrjes nuk mund të shpjegoheshin fare nga teoria korpuskulare. Prandaj, u ngrit teoria valore e dritës. Kjo teori shpjegoi difraksionin dhe interferencën, por kishte vështirësi në shpjegimin e dritës së drejtë. Vetëm në shekullin e 19-të, J. Fresnel, duke përdorur zbulimet e fizikanëve të tjerë, ishte në gjendje të kombinonte parimet tashmë të nxjerra në një teori, sipas së cilës drita është një valë mekanike tërthore. Më vonë, Maxwell zbuloi se drita është një lloj rrezatimi elektromagnetik. Por në fillim të shekullit të 20-të, falë zbulimeve të Ajnshtajnit, idetë për dritën ndryshuan përsëri. Drita u kuptua si një rrymë fotonesh. Por disa veti të dritës u shpjeguan në mënyrë të përsosur nga teoria e valës. Drita ka edhe veti korpuskulare dhe valore. Në këtë rast, ekzistojnë rregullsitë e mëposhtme: sa më e shkurtër të jetë gjatësia e valës, aq më të ndritshme shfaqen vetitë korpuskulare; sa më e gjatë të jetë gjatësia e valës, aq më të ndritshme shfaqen vetitë e valës.

Sipas de Broglie, çdo mikroobjekt shoqërohet, nga njëra anë, me karakteristikat korpuskulare - energjinë E dhe momentin p, dhe nga ana tjetër, me karakteristikat e valës - frekuencën dhe gjatësinë e valës.

Në vitin 1924, fizikani francez L. de Broglie parashtroi një hipotezë të guximshme: dualiteti valë-grimcë ka një karakter universal, d.m.th. të gjitha grimcat që kanë një moment të kufizuar P kanë veti valore. Kështu u shfaq formula e famshme e de Broglie në fizikë ku m është masa e grimcës, V është shpejtësia e saj, h është konstanta e Plankut.

Kështu që, Vetitë korpuskulare dhe valore të një mikro-objekti janë të papajtueshme në lidhje me manifestimin e tyre të njëkohshëm, megjithatë, ato karakterizojnë njëlloj objektin, d.m.th. plotësojnë njëra-tjetrën. Kjo ide u shpreh nga N. Bohr dhe ai formoi bazën e parimit më të rëndësishëm metodologjik të shkencës moderne, i cili aktualisht mbulon jo vetëm shkencat fizike, por edhe të gjithë shkencën e natyrës - parimi i komplementaritetit (1927). Thelbi Parimi i komplementaritetit sipas N. Bohr zbret në sa vijon: pa marrë parasysh se sa larg shkojnë fenomenet përtej shpjegimit fizik klasik, të gjitha të dhënat eksperimentale duhet të përshkruhen duke përdorur koncepte klasike. Për të përshkruar plotësisht fenomenet mekanike kuantike, është e nevojshme të përdoren dy grupe konceptesh klasike ekskluzive (shtesë) reciprokisht, kombinimi i të cilave siguron informacionin më të plotë për këto fenomene në tërësi.

Parimi i komplementaritetit, si parim i përgjithshëm i njohurive, mund të formulohet si më poshtë: çdo fenomen i vërtetë natyror nuk mund të përcaktohet pa mëdyshje duke përdorur fjalët e gjuhës sonë dhe kërkon për përcaktimin e tij të paktën dy koncepte shtesë reciprokisht ekskluzive. Të tilla dukuri përfshijnë, për shembull, fenomenet kuantike, jetën, psikikën, etj. Bohr, në veçanti, e pa nevojën e zbatimit të parimit të komplementaritetit në biologji, i cili është për shkak të strukturës dhe funksioneve jashtëzakonisht komplekse të organizmave të gjallë, të cilat i ofrojnë ato. me aftësi të fshehura pothuajse të pashtershme.

Gjatë njëqind viteve të fundit, shkenca ka bërë përparime të mëdha në studimin e strukturës së botës sonë në të dy nivelet mikroskopike dhe makroskopike. Zbulimet e mahnitshme që na sjellin teoritë speciale dhe të përgjithshme të relativitetit dhe mekanikës kuantike ende emocionojnë mendjet e publikut. Sidoqoftë, çdo person i arsimuar duhet të kuptojë të paktën bazat e arritjeve moderne shkencore. Një nga pikat më mbresëlënëse dhe më të rëndësishme është dualiteti valë-grimcë. Ky është një zbulim paradoksal, kuptimi i të cilit është përtej mundësive të perceptimit intuitiv të përditshëm.

Korpuskulat dhe valët

Dualizmi u zbulua për herë të parë në studimin e dritës, e cila u soll krejtësisht ndryshe në varësi të kushteve. Nga njëra anë, doli se drita është një valë elektromagnetike optike. Nga ana tjetër, ekziston një grimcë diskrete (veprimi kimik i dritës). Fillimisht, shkencëtarët besuan se këto dy ide ishin reciproke ekskluzive. Megjithatë, eksperimentet e shumta kanë treguar se nuk është kështu. Gradualisht, realiteti i një koncepti të tillë si dualiteti valë-grimcë u bë i zakonshëm. Ky koncept ofron bazën për të studiuar sjelljen e objekteve komplekse kuantike që nuk janë as valë as grimca, por vetëm fitojnë vetitë e të fundit ose të parës në varësi të kushteve të caktuara.

Eksperiment me çarje të dyfishtë

Difraksioni i fotonit është një demonstrim i qartë i dualizmit. Detektori i grimcave të ngarkuara është një pllakë fotografike ose një ekran fluoreshent. Çdo foton individual u shënua nga ndriçimi ose një blic pikë. Kombinimi i shenjave të tilla dha një model ndërhyrje - alternimi i shiritave të ndriçuar dobët dhe fort, gjë që është një karakteristikë e difraksionit të valës. Kjo shpjegohet me një koncept të tillë si dualiteti valë-grimcë. Fizikani i famshëm dhe laureati i Nobelit Richard Feynman tha se materia sillet në përmasa të vogla në atë mënyrë që është e pamundur të ndjehet "natyraliteti" i sjelljes kuantike.

Dualizmi universal

Sidoqoftë, kjo përvojë është e vlefshme jo vetëm për fotonet. Doli se dualizmi është një pronë e të gjithë materies dhe është universale. Heisenberg argumentoi se materia ekziston në të dyja format në mënyrë alternative. Sot është vërtetuar absolutisht se të dyja pronat shfaqen plotësisht njëkohësisht.

Vala korpuskulare

Si mund ta shpjegojmë këtë sjellje të materies? Vala që është e natyrshme në korpuskulat (grimcat) quhet vala de Broglie, e quajtur sipas shkencëtarit të ri aristokrat që propozoi një zgjidhje për këtë problem. Në përgjithësi pranohet se ekuacionet e de Broglie përshkruajnë një funksion valor, i cili, në katror, ​​përcakton vetëm probabilitetin që një grimcë të jetë në pika të ndryshme në hapësirë ​​në kohë të ndryshme. E thënë thjesht, vala de Broglie është një probabilitet. Kështu, u vendos barazia midis konceptit matematikor (probabilitetit) dhe procesit real.

Fusha kuantike

Cilat janë trupat e materies? Në përgjithësi, këto janë kuante të fushave valore. Një foton është një kuantë e një fushe elektromagnetike, një pozitron dhe një elektron janë një fushë elektron-pozitron, një mezon është një kuant i një fushe mezon, etj. Ndërveprimi midis fushave valore shpjegohet me shkëmbimin e grimcave të caktuara të ndërmjetme midis tyre, për shembull, gjatë ndërveprimit elektromagnetik ka një shkëmbim fotonesh. Nga kjo rrjedh drejtpërdrejt një konfirmim tjetër se proceset valore të përshkruara nga de Broglie janë fenomene fizike absolutisht reale. Dhe dualizmi i valëve të grimcave nuk vepron si një "veti misterioze e fshehur" që karakterizon aftësinë e grimcave për të "rimishëruar". Ai tregon qartë dy veprime të ndërlidhura - lëvizjen e një objekti dhe procesin e valës që lidhet me të.

Efekti i tunelit

Dualiteti valë-grimcë i dritës lidhet me shumë dukuri të tjera interesante. Drejtimi i veprimit të valës de Broglie shfaqet gjatë të ashtuquajturit efekt tuneli, domethënë kur fotonet depërtojnë përmes barrierës së energjisë. Ky fenomen shkaktohet nga momenti i grimcave që tejkalon vlerën mesatare në momentin e antinyjës së valës. Tuneli ka bërë të mundur zhvillimin e shumë pajisjeve elektronike.

Ndërhyrja e kuanteve të dritës

Shkenca moderne flet për ndërhyrjen e fotoneve në të njëjtën mënyrë misterioze si për ndërhyrjen e elektroneve. Rezulton se një foton, i cili është një grimcë e pandashme, mund të kalojë njëkohësisht përgjatë çdo rruge të hapur për veten dhe të ndërhyjë në vetvete. Nëse marrim parasysh se dualiteti valë-grimcë i vetive të materies dhe fotonit është një valë që mbulon shumë elementë strukturorë, atëherë pjesëtueshmëria e saj nuk përjashtohet. Kjo bie ndesh me pikëpamjet e mëparshme të grimcës si një formacion elementar i pandashëm. Duke poseduar një masë të caktuar lëvizjeje, fotoni formon një valë gjatësore të lidhur me këtë lëvizje, e cila i paraprin vetë grimcës, pasi shpejtësia e valës gjatësore është më e madhe se ajo e valës tërthore elektromagnetike. Prandaj, ka dy shpjegime për ndërhyrjen e një fotoni me vetveten: grimca është e ndarë në dy komponentë, të cilët ndërhyjnë me njëri-tjetrin; Vala e fotonit udhëton përgjatë dy shtigjeve dhe formon një model ndërhyrjeje. Eksperimentalisht u zbulua se një model ndërhyrje krijohet gjithashtu kur grimcat e vetme të ngarkuara-fotone kalojnë nëpër interferometër me radhë. Kjo konfirmon tezën se çdo foton individual ndërhyn në vetvete. Kjo shihet veçanërisht qartë kur merret parasysh fakti se drita (as koherente dhe as monokromatike) është një koleksion fotonesh që emetohen nga atomet në procese të ndërlidhura dhe të rastësishme.

Çfarë është drita?

Një valë drite është një fushë elektromagnetike jo e lokalizuar që shpërndahet në të gjithë hapësirën. Fusha elektromagnetike e një vale ka një densitet të energjisë vëllimore që është proporcionale me katrorin e amplitudës. Kjo do të thotë se dendësia e energjisë mund të ndryshojë me çdo sasi, domethënë është e vazhdueshme. Nga njëra anë, drita është një rrymë kuantesh dhe fotonesh (korpuskulash), të cilat, falë universalitetit të një fenomeni të tillë si dualiteti grimcë-valë, përfaqësojnë vetitë e një valë elektromagnetike. Për shembull, në fenomenet e ndërhyrjes dhe difraksionit dhe shkallëve, drita shfaq qartë karakteristikat e një valë. Për shembull, një foton i vetëm, siç përshkruhet më sipër, duke kaluar nëpër një çarje të dyfishtë krijon një model ndërhyrjeje. Me ndihmën e eksperimenteve, u vërtetua se një foton i vetëm nuk është një puls elektromagnetik. Nuk mund të ndahet në trarë me ndarës rrezesh, siç treguan fizikanët francezë Aspe, Roger dhe Grangier.

Drita gjithashtu ka veti korpuskulare, të cilat manifestohen në efektin Compton dhe efektin fotoelektrik. Një foton mund të sillet si një grimcë që absorbohet tërësisht nga objektet, dimensionet e të cilave janë shumë më të vogla se gjatësia e valës së tij (për shembull, një bërthamë atomike). Në disa raste, fotonet në përgjithësi mund të konsiderohen objekte pika. Nuk ka dallim nga pozicioni që ne i konsiderojmë vetitë e dritës. Në fushën e vizionit të ngjyrave, një rrymë drite mund të veprojë si një valë dhe një grimcë-foton si një kuant energjetik. Një pikë e fokusuar në një fotoreceptor të retinës, siç është membrana e konit, mund të lejojë që syri të formojë vlerën e tij të filtruar si rrezet kryesore spektrale të dritës dhe t'i renditë ato në gjatësi vale. Sipas vlerave kuantike të energjisë, në tru pika e objektit do të përkthehet në një ndjesi ngjyrash (imazh optik i fokusuar).

Nëse keni menduar se jemi zhytur në harresë me temat tona marramendëse, atëherë ne nxitojmë t'ju zhgënjejmë dhe t'ju bëjmë të lumtur: keni gabuar! Në fakt, gjatë gjithë kësaj kohe jemi përpjekur të gjejmë një metodë të pranueshme për të paraqitur tema të çmendura që lidhen me paradokset kuantike. Ne shkruam disa drafte, por të gjitha u hodhën në të ftohtë. Sepse kur vjen puna për të shpjeguar shakatë kuantike, ne vetë ngatërrohemi dhe pranojmë se nuk kuptojmë shumë (dhe në përgjithësi, pak njerëz e kuptojnë këtë çështje, përfshirë shkencëtarët e lezetshëm të botës). Mjerisht, bota kuantike është aq e huaj për botëkuptimin filistin sa nuk është aspak turp të pranosh keqkuptimin tënd dhe të përpiqemi pak së bashku për të kuptuar të paktën bazat.

Dhe megjithëse, si zakonisht, do të përpiqemi të flasim sa më qartë që të jetë e mundur me imazhe nga Google, lexuesit të papërvojë do t'i duhet një përgatitje fillestare, kështu që ju rekomandojmë që të shikoni temat tona të mëparshme, veçanërisht për kuantet dhe materien.
Sidomos për humanistët dhe njerëzit e tjerë të interesuar - paradokset kuantike. Pjesa 1.

Në këtë temë do të flasim për misterin më të zakonshëm të botës kuantike - dualitetin valë-grimcë. Kur themi "më e zakonshmja", nënkuptojmë se fizikanët janë lodhur aq shumë nga ajo sa nuk duket as si mister. Por kjo është e gjitha sepse paradokset e tjera kuantike janë edhe më të vështira për t'u pranuar nga mendja mesatare.

Dhe ishte kështu. Në ditët e mira të vjetra, diku në mesin e shekullit të 17-të, Njutoni dhe Huygens nuk pajtoheshin për ekzistencën e dritës: Njutoni paturpësisht deklaroi se drita është një rrjedhë grimcash, dhe Huygens-i i vjetër u përpoq të provonte se drita është një valë. Por Njutoni ishte më autoritar, kështu që deklarata e tij për natyrën e dritës u pranua si e vërtetë dhe Huygens u tall. Dhe për dyqind vjet drita u konsiderua si një rrjedhë e disa grimcave të panjohura, natyrën e të cilave ata shpresonin ta zbulonin një ditë.

Në fillim të shekullit të 19-të, një orientalist i quajtur Thomas Young u përpoq me instrumente optike - si rezultat, ai mori dhe kreu një eksperiment që tani quhet eksperimenti i Young dhe çdo fizikant e konsideron këtë eksperiment të shenjtë.

Thomas Young sapo drejtoi një rreze (me të njëjtën ngjyrë, në mënyrë që frekuenca të ishte afërsisht e njëjtë) drite përmes dy të çarave në pllakë dhe vendosi një pllakë tjetër ekrani pas saj. Dhe rezultatin ua tregoi kolegëve të tij. Nëse drita do të ishte një rrjedhë grimcash, atëherë do të shihnim dy vija të lehta në sfond.
Por, për fat të keq për të gjithë botën shkencore, në ekranin e pllakës u shfaqën një sërë vija të errëta dhe të lehta. Një fenomen i zakonshëm i quajtur interferencë është mbivendosja e dy (ose më shumë valëve) njëra mbi tjetrën.

Nga rruga, është falë ndërhyrjes që ne vëzhgojmë nuancat e ylberit në një njollë vaji ose në një flluskë sapuni.

Me fjalë të tjera, Thomas Young provoi eksperimentalisht se drita është valë. Bota shkencore nuk donte ta besonte Jung për një kohë të gjatë, dhe në një kohë ai u kritikua aq shumë sa që ai madje braktisi idetë e tij për teorinë e valëve. Por besimi në drejtësinë e tyre ende fitoi, dhe shkencëtarët filluan ta konsiderojnë dritën si një valë. Vërtetë, një valë e asaj - ishte një mister.
Këtu, në foto, është eksperimenti i vjetër i mirë i Jung.

Duhet thënë se natyra valore e dritës nuk ndikoi shumë në fizikën klasike. Shkencëtarët rishkruan formulat dhe filluan të besojnë se së shpejti e gjithë bota do të binte në këmbët e tyre nën një formulë të vetme universale për gjithçka.
Por ju tashmë e keni marrë me mend se Ajnshtajni, si gjithmonë, shkatërroi gjithçka. Problemi u zvarrit nga ana tjetër - në fillim shkencëtarët u hutuan në llogaritjen e energjisë së valëve termike dhe zbuluan konceptin e kuanteve (sigurohuni që të lexoni për këtë në temën tonë përkatëse ""). Dhe më pas, me ndihmën e këtyre kuantave, Ajnshtajni i dha një goditje fizikës, duke shpjeguar fenomenin e efektit fotoelektrik.

Shkurtimisht: efekti fotoelektrik (një nga pasojat e të cilit është ekspozimi i filmit) është trokitja e elektroneve nga sipërfaqja e materialeve të caktuara nga drita. Teknikisht, ky trokitje ndodh sikur drita të ishte një grimcë. Ajnshtajni e quajti një grimcë të dritës një kuant drite, dhe më vonë iu dha një emër - foton.

Në vitin 1920, efekti i mahnitshëm Compton iu shtua teorisë kundër valës së dritës: kur një elektron bombardohet me fotone, fotoni kthehet nga elektroni me një humbje energjie (ne "gjuajm" në blu, por i kuqja fluturon off), si një top i bilardos nga një tjetër. Compton fitoi çmimin Nobel për këtë.

Këtë herë, fizikanët ishin të kujdesshëm për të braktisur thjesht natyrën valore të dritës, por në vend të kësaj u menduan shumë. Shkenca përballet me një mister të tmerrshëm: drita është valë apo grimcë?

Drita, si çdo valë, ka një frekuencë - dhe kjo është e lehtë për t'u kontrolluar. Ne shohim ngjyra të ndryshme sepse çdo ngjyrë është thjesht një frekuencë e ndryshme e një vale elektromagnetike (të dritës): e kuqja është një frekuencë e ulët, vjollca është një frekuencë e lartë.
Por është e mahnitshme: gjatësia e valës së dritës së dukshme është pesë mijë herë më e madhe se madhësia e një atomi - si përshtatet një "gjë" e tillë në një atom kur atomi thith këtë valë? Nëse fotoni është vetëm një grimcë e krahasueshme në madhësi me një atom. A është një foton i madh dhe i vogël në të njëjtën kohë?

Për më tepër, efekti fotoelektrik dhe efekti Compton vërtetojnë qartë se drita është ende një rrjedhë grimcash: nuk mund të shpjegohet se si një valë transferon energji tek elektronet e lokalizuara në hapësirë ​​- nëse drita do të ishte valë, atëherë disa elektrone do të rrëzoheshin më vonë. se të tjerët, dhe fenomeni Ne nuk do të vëzhgonim efektin fotoelektrik. Por në rastin e një rrjedhe, një foton i vetëm përplaset me një elektron të vetëm dhe, në kushte të caktuara, e rrëzon atë nga atomi.

Si rezultat, u vendos: drita është edhe valë edhe grimcë. Ose më mirë, as njëra as tjetra, por një formë e re e panjohur më parë e ekzistencës së materies: dukuritë që vëzhgojmë janë vetëm projeksione ose hije të gjendjes reale të punëve, në varësi të mënyrës se si e shikoni atë që po ndodh. Kur shikojmë hijen e një cilindri të ndriçuar nga njëra anë, shohim një rreth, dhe kur ndriçohet nga ana tjetër, shohim një hije drejtkëndëshe. Kështu është edhe me paraqitjen e dritës me valë grimce.

Por edhe këtu nuk është gjithçka e lehtë. Nuk mund të themi se e konsiderojmë dritën ose valë ose rrjedhë grimcash. Shikoni nga dritarja. Papritur, edhe në xhamin e larë pastër, ne shohim reflektimin tonë, megjithëse të paqartë. Çfarë është kapja? Nëse drita është një valë, atëherë është e lehtë të shpjegohet reflektimi në një dritare - ne shohim efekte të ngjashme në ujë kur një valë reflektohet nga një pengesë. Por nëse drita është një rrjedhë grimcash, atëherë reflektimi nuk mund të shpjegohet kaq lehtë. Në fund të fundit, të gjitha fotonet janë të njëjta. Sidoqoftë, nëse janë të gjitha të njëjta, atëherë barriera në formën e xhamit të dritares duhet të ketë të njëjtin efekt mbi to. Ose të gjithë kalojnë nëpër xhami, ose të gjitha reflektohen. Por në realitetin e ashpër, disa nga fotonet fluturojnë nëpër xhami, dhe ne shohim shtëpinë fqinje dhe menjëherë shohim reflektimin tonë.

Dhe i vetmi shpjegim që më vjen ndërmend: fotonet janë më vete. Është e pamundur të parashikohet me një probabilitet qind për qind se si do të sillet një foton i veçantë - nëse do të përplaset me xhamin si grimcë apo si valë. Kjo është baza e fizikës kuantike - sjellje krejtësisht, absolutisht e rastësishme e materies në nivel mikro pa asnjë arsye (dhe në botën tonë të sasive të mëdha, ne e dimë nga përvoja se gjithçka ka një arsye). Ky është një gjenerues i përsosur i numrave të rastësishëm, ndryshe nga hedhja e monedhës.

Ajnshtajni i shkëlqyer, i cili zbuloi fotonin, ishte i bindur deri në fund të jetës së tij se fizika kuantike ishte e gabuar dhe i siguroi të gjithë se "Zoti nuk luan zare". Por shkenca moderne konfirmon gjithnjë e më shumë se ajo luan.

Në një mënyrë apo tjetër, një ditë shkencëtarët vendosën t'i jepnin fund debatit të "valës ose grimcave" dhe të riprodhonin përvojën e Jung-ut duke marrë parasysh teknologjitë e shekullit të 20-të. Në këtë kohë, ata kishin mësuar të gjuanin fotone një nga një (gjeneratorët kuantikë, të njohur në popullatën si "lazer"), dhe për këtë arsye u vendos të kontrollohej se çfarë do të ndodhte në ekran nëse dikush qëllonte një grimcë në dy çarje: më në fund do të bëhet e qartë se çfarë është materia në kushte të kontrolluara eksperimentale.

Dhe befas - një kuant i vetëm drite (fotoni) tregoi një model ndërhyrjeje, domethënë, grimca fluturoi nëpër të dy çarjet në të njëjtën kohë, fotoni ndërhyri me vetveten (në terma shkencorë). Le të sqarojmë pikën teknike - në fakt, fotografia e ndërhyrjes u shfaq jo nga një foton, por nga një seri të shtënash në një grimcë në intervale prej 10 sekondash - me kalimin e kohës, skajet e Young, të njohura për çdo student të C që nga viti 1801, u shfaqën në ekrani.

Nga pikëpamja e valës, kjo është logjike - vala kalon nëpër çarje, dhe tani dy valë të reja ndryshojnë në rrathë koncentrikë, duke mbivendosur njëra-tjetrën.
Por nga pikëpamja korpuskulare, rezulton se fotoni është në dy vende në të njëjtën kohë kur kalon nëpër të çarat dhe pasi kalon përzihet me vetveten. Kjo është përgjithësisht normale, a?
Doli se ishte normale. Për më tepër, duke qenë se fotoni është në dy të çara njëherësh, kjo do të thotë se ai është njëkohësisht kudo si para çarjeve ashtu edhe pas fluturimit nëpër to. Dhe në përgjithësi, nga pikëpamja e fizikës kuantike, fotoni i lëshuar midis fillimit dhe përfundimit është njëkohësisht "kudo dhe menjëherë". Fizikanët e quajnë një mbivendosje të tillë të një grimce "gjithkund menjëherë" - një fjalë e tmerrshme, e cila dikur ishte një përkëdhelje matematikore, tani është bërë realitet fizik.

Njëfarë E. Schrödinger, një kundërshtar i mirënjohur i fizikës kuantike, kishte nxjerrë në këtë kohë diku një formulë që përshkruante vetitë valore të materies, siç është uji. Dhe pasi e ngatërrova pak, për tmerrin tim, nxora të ashtuquajturin funksion të valës. Ky funksion tregoi probabilitetin e gjetjes së një fotoni në një vend të caktuar. Vini re se kjo është një probabilitet, jo një vendndodhje e saktë. Dhe kjo probabilitet varej nga katrori i lartësisë së kreshtës së valës kuantike në një vend të caktuar (nëse dikush është i interesuar për detajet).

Ne do t'i kushtojmë një kapitull të veçantë çështjeve të matjes së vendndodhjes së grimcave.

Zbulimet e mëtejshme treguan se gjërat me dualizëm janë edhe më të këqija dhe më misterioze.
Në vitin 1924, një farë Louis de Broglie tha se vetitë valë-korpuskulare të dritës janë maja e ajsbergut. Dhe të gjitha grimcat elementare e kanë këtë veti të pakuptueshme.
Domethënë, një grimcë dhe një valë në të njëjtën kohë nuk janë vetëm grimca të fushës elektromagnetike (fotone), por edhe grimca reale si elektronet, protonet, etj. E gjithë lënda rreth nesh në nivelin mikroskopik është valë(dhe grimca në të njëjtën kohë).

Dhe disa vjet më vonë, kjo madje u konfirmua eksperimentalisht - amerikanët hodhën elektrone në tubat e rrezeve katodike (të cilat janë të njohura për pordhat e sotme me emrin "kinescope") - dhe kështu vëzhgimet në lidhje me reflektimin e elektroneve konfirmuan se një elektron është gjithashtu një valë (për lehtësinë e të kuptuarit, mund të thuash se ata vendosën një pllakë me dy të çara në rrugën e elektronit dhe panë ndërhyrjen e elektronit ashtu siç është).

Deri më sot, eksperimentet kanë zbuluar se atomet gjithashtu kanë veti valore, madje disa lloje të veçanta molekulash (të ashtuquajturat "fullerene") manifestohen si valë.

Mendja kërkuese e lexuesit, e cila ende nuk është shtangur nga historia jonë, do të pyesë: nëse materia është valë, atëherë pse, për shembull, një top fluturues nuk lyhet në hapësirë ​​në formën e valës? Pse një avion reaktiv nuk i ngjan aspak valës, por është shumë i ngjashëm me një avion reaktiv?

De Broglie, djalli, shpjegoi gjithçka këtu: po, një top fluturues ose një Boeing është gjithashtu një valë, por gjatësia e kësaj valë është më e shkurtër, aq më i madh është impulsi. Momenti është masa shumëfish i shpejtësisë. Kjo do të thotë, sa më e madhe të jetë masa e materies, aq më e shkurtër është gjatësia e valës së saj. Gjatësia e valës së një topi që fluturon me një shpejtësi prej 150 km/h do të jetë afërsisht 0.00 metra. Prandaj, ne nuk jemi në gjendje të vërejmë se si topi përhapet në hapësirë ​​si valë. Për ne është materie e fortë.
Një elektron është një grimcë shumë e lehtë dhe, duke fluturuar me një shpejtësi prej 6000 km/sek, do të ketë një gjatësi vale të dukshme prej 0.0000000001 metrash.

Nga rruga, le t'i përgjigjemi menjëherë pyetjes pse bërthama atomike nuk është aq "valore". Megjithëse ndodhet në qendër të atomit, rreth të cilit elektroni fluturon çmendurisht dhe në të njëjtën kohë është i lyer, ai ka një moment të mirë të lidhur me masën e protoneve dhe neutroneve, si dhe lëkundjet (shpejtësia) me frekuencë të lartë për shkak të për ekzistencën e një shkëmbimi të vazhdueshëm të grimcave brenda bërthamës bashkëveprim i fortë (lexoni temën). Prandaj, thelbi i ngjan më shumë lëndës së ngurtë me të cilën jemi njohur. Elektroni, me sa duket, është e vetmja grimcë me masë që ka shprehur qartë vetitë valore, kështu që të gjithë e studiojnë atë me kënaqësi.

Le të kthehemi te grimcat tona. Kështu rezulton: një elektron që rrotullohet rreth një atomi është edhe grimcë edhe valë. Kjo do të thotë, grimca rrotullohet, dhe në të njëjtën kohë, elektroni si valë përfaqëson një guaskë të një forme të caktuar rreth bërthamës - si mund të kuptohet kjo edhe nga truri i njeriut?

Ne kemi llogaritur tashmë më lart se një elektron fluturues ka një gjatësi vale mjaft të madhe (për një mikrokozmos), dhe për t'u përshtatur rreth bërthamës së një atomi, një valë e tillë ka nevojë për një hapësirë ​​të pahijshme të madhe. Kjo është pikërisht ajo që shpjegon përmasat kaq të mëdha të atomeve në krahasim me bërthamën. Gjatësia e valës së elektronit përcaktojnë madhësinë e atomit. Hapësira boshe midis bërthamës dhe sipërfaqes së atomit është e mbushur nga "akomodimi" i gjatësisë së valës (dhe në të njëjtën kohë grimca) e elektronit. Ky është një shpjegim shumë i vrazhdë dhe i pasaktë - ju lutemi na falni - në realitet gjithçka është shumë më e ndërlikuar, por qëllimi ynë është që të paktën të lejojmë njerëzit që janë të interesuar për të gjitha këto të gërryejnë një pjesë të granitit të shkencës.

Le të jemi të qartë përsëri! Pas disa komenteve për artikullin [në YP], kuptuam se çfarë pikë e rëndësishme i mungonte këtij artikulli. Kujdes! Forma e materies që përshkruajmë nuk është as valë as grimcë. Ajo ka vetëm (njëkohësisht) vetitë e valës dhe vetitë e grimcave. Nuk mund të thuhet se një valë elektromagnetike ose një valë elektronike është si valët e detit ose valët e zërit. Valët me të cilat jemi njohur përfaqësojnë përhapjen e shqetësimeve në hapësirën e mbushur me disa substanca.
Fotonet, elektronet dhe raste të tjera të mikrokozmosit, kur lëvizin në hapësirë, mund të përshkruhen me ekuacione valore; sjellja e tyre është vetëm e ngjashme me një valë, por në asnjë rast ato nuk janë një valë. Është e ngjashme me strukturën korpuskulare të materies: sjellja e një grimce është e ngjashme me fluturimin e topave të vegjël me pikë, por këto nuk janë kurrë topa.
Kjo duhet kuptuar dhe pranuar, përndryshe të gjitha mendimet tona përfundimisht do të çojnë në kërkimin e analogëve në makrokozmos dhe kështu të kuptuarit e fizikës kuantike do të marrë fund dhe do të fillojë friarizmi ose filozofia sharlatane, si magjia kuantike dhe materialiteti. e mendimeve.

Ne do të shqyrtojmë përfundimet e mbetura të tmerrshme dhe pasojat e eksperimentit të modernizuar të Jung-ut më vonë në pjesën tjetër - pasiguria e Heisenberg, macja e Schrödinger, parimi i përjashtimit Pauli dhe ngatërrimi kuantik presin lexuesin e durueshëm dhe të zhytur në mendime, i cili do të rilexojë artikujt tanë më shumë se një herë dhe do të gërmojë përmes internetit në kërkim të informacionit shtesë.

Faleminderit të gjithëve për vëmendjen tuaj. Gëzuar pagjumësi ose ankthe njohëse për të gjithë!

NB: Ju kujtojmë me zell se të gjitha imazhet janë marrë nga Google (kërko sipas imazheve) - autorësia përcaktohet atje.
Kopjimi i paligjshëm i tekstit ndiqet penalisht, shtypet, mirë, ju e dini...

Dualiteti valë-grimcë– vetia e çdo mikrogrimce për të zbuluar shenjat e një grimce (korpuskule) dhe një valë. Dualiteti valë-grimcë manifestohet më qartë në grimcat elementare. Një elektron, një neutron, një foton, në disa kushte, sillen si objekte materiale (grimca) të lokalizuara mirë në hapësirë, duke lëvizur me energji dhe impulse të caktuara përgjatë trajektoreve klasike, dhe në të tjera, si valë, që manifestohet në aftësinë e tyre për të interferimi dhe difraksioni. Kështu, një valë elektromagnetike, që shpërndahet në elektrone të lira, sillet si një rrymë grimcash individuale - fotone, të cilat janë kuante të fushës elektromagnetike (efekti Compton), dhe momenti i fotonit jepet me formulën p = h/λ, ku λ është gjatësia e valës elektromagnetike dhe h është konstanta e Plankut. Kjo formulë në vetvete është dëshmi e dualizmit. Në të, në të majtë është momenti i një grimce individuale (fotoni), dhe në të djathtë është gjatësia e valës së fotonit. Dualiteti i elektroneve, të cilat jemi mësuar t'i konsiderojmë si grimca, manifestohet në faktin se kur reflektohet nga sipërfaqja e një kristali të vetëm, vërehet një model difraksioni, i cili është një manifestim i vetive valore të elektroneve. Marrëdhënia sasiore midis karakteristikave korpuskulare dhe valore të një elektroni është e njëjtë si për një foton: р = h/λ (р është momenti i elektronit dhe λ është gjatësia e valës së tij de Broglie). Dualiteti valë-grimcë është baza e fizikës kuantike.

Vala (leshi) është një proces i lidhur gjithmonë me një mjedis material që zë një vëllim të caktuar në hapësirë.

64. De Broglie valëzon. Difraksioni i elektronit Vetitë valore të mikrogrimcave.

Zhvillimi i ideve në lidhje me vetitë valore korpuskulare të materies mori në hipotezën për natyrën valore të lëvizjes së mikrogrimcave. Louis de Broglie, nga ideja e simetrisë në natyrë për grimcat e materies dhe dritës, i atribuoi çdo mikrogrimce një proces të caktuar periodik të brendshëm (1924). Duke kombinuar formulat E = hν dhe E = mc 2, ai fitoi një lidhje që tregon se çdo grimcë ka të sajën gjatësia valore : λ B = h/mv = h/p, ku p është momenti i valës-grimcë. Për shembull, për një elektron me një energji prej 10 eV, gjatësia e valës de Broglie është 0.388 nm. Më pas, u tregua se gjendja e një mikrogrimce në mekanikën kuantike mund të përshkruhet nga një kompleks i caktuar funksioni i valës koordinatat Ψ(q), dhe moduli në katror i këtij funksioni |Ψ| 2 përcakton shpërndarjen e probabilitetit të vlerave të koordinatave. Ky funksion u prezantua për herë të parë në mekanikën kuantike nga Schrödinger në 1926. Kështu, vala de Broglie nuk mbart energji, por vetëm pasqyron "shpërndarjen fazore" të disa proceseve periodike probabiliste në hapësirë. Rrjedhimisht, përshkrimi i gjendjes së objekteve të mikrobotës është natyra probabiliste, në kontrast me objektet e makrobotës, të cilat përshkruhen nga ligjet e mekanikës klasike.

Për të vërtetuar idenë e de Broglie për natyrën valore të mikrogrimcave, fizikani gjerman Elsasser propozoi përdorimin e kristaleve për të vëzhguar difraksionin e elektronit (1925). Në SHBA, K. Davisson dhe L. Germer zbuluan fenomenin e difraksionit kur një rreze elektronike kalon nëpër një pllakë kristal nikeli (1927). Pavarësisht prej tyre, difraksioni i elektroneve që kalojnë nëpër fletë metalike u zbulua nga J.P. Thomson në Angli dhe P.S. Tartakovski në BRSS. Kështu, ideja e de Broglie për vetitë valore të materies gjeti konfirmim eksperimental. Më pas, vetitë e difraksionit, dhe për rrjedhojë, të valës u zbuluan në rrezet atomike dhe molekulare. Jo vetëm fotonet dhe elektronet, por edhe të gjitha mikrogrimcat kanë veti valore të grimcave.

Zbulimi i vetive valore të mikrogrimcave tregoi se forma të tilla të materies si fushë (e vazhdueshme) dhe materia (diskrete), të cilat nga pikëpamja e fizikës klasike konsideroheshin cilësisht të ndryshme, në kushte të caktuara mund të shfaqin veti të qenësishme në të dyja format. Kjo flet për unitetin e këtyre formave të materies. Një përshkrim i plotë i vetive të tyre është i mundur vetëm në bazë të ideve të kundërta, por plotësuese.

Prezantimi

Pothuajse njëkohësisht, dy teori të dritës u parashtruan: teoria korpuskulare e Njutonit dhe teoria e valës së Huygens.

Sipas teorisë korpuskulare, ose teorisë së rrjedhjes, të paraqitur nga Njutoni në fund të shekullit të 17-të, trupat ndriçues lëshojnë grimca të vogla (korpuskula) që fluturojnë drejt në të gjitha drejtimet dhe, kur hyjnë në sy, shkaktojnë një ndjesi drite. .

Sipas teorisë së valës, një trup i ndritshëm shkakton dridhje elastike në një medium të veçantë që mbush të gjithë hapësirën kozmike - eterin botëror - që përhapen në eter si valët e zërit në ajër.

Në kohën e Njutonit dhe Huygensit, shumica e shkencëtarëve i përmbaheshin teorisë korpuskulare të Njutonit, e cila shpjegonte në mënyrë mjaft të kënaqshme të gjitha fenomenet e dritës të njohura në atë kohë. Reflektimi i dritës shpjegohej në mënyrë të ngjashme me reflektimin e trupave elastikë gjatë goditjes me një aeroplan. Përthyerja e dritës shpjegohej me veprimin e forcave të mëdha tërheqëse mbi trupat nga një mjedis më i dendur. Nën ndikimin e këtyre forcave, të cilat manifestohen, sipas teorisë së Njutonit, kur iu afruan një mjedisi më të dendur, trupat e dritës morën nxitim të drejtuar pingul me kufirin e këtij mediumi, si rezultat i të cilit ata ndryshuan drejtimin e lëvizjes dhe në në të njëjtën kohë rriti shpejtësinë e tyre. Fenomene të tjera të dritës u shpjeguan në mënyrë të ngjashme.

Më pas, vëzhgimet e reja që u shfaqën nuk u përshtatën në kuadrin e kësaj teorie. Në veçanti, mospërputhja e kësaj teorie u zbulua kur u mat shpejtësia e përhapjes së dritës në ujë. Doli të ishte jo më shumë, por më pak se në ajër.

Në fillim të shekullit të 19-të, teoria e valës së Huygens, e pa njohur nga bashkëkohësit e tij, u zhvillua dhe u përmirësua nga Young dhe Fresnel dhe mori njohje universale. Në vitet 60 të shekullit të kaluar, pasi Maxwell zhvilloi teorinë e fushës elektromagnetike, doli se drita është valë elektromagnetike. Kështu, teoria e mekanikës valore të dritës u zëvendësua nga teoria elektromagnetike valore. Valët e dritës (spektri i dukshëm) zënë intervalin 0,4-0,7 μm në shkallën e valës elektromagnetike. Teoria valore e dritës e Maxwell, e cila e trajton rrezatimin si një proces të vazhdueshëm, nuk ishte në gjendje të shpjegonte disa nga fenomenet optike të sapo zbuluara. Ajo u plotësua nga teoria kuantike e dritës, sipas së cilës energjia e një valë drite emetohet, shpërndahet dhe absorbohet jo vazhdimisht, por në pjesë të caktuara - kuantet e dritës, ose fotonet - të cilat varen vetëm nga gjatësia e valës së dritës. Kështu, sipas koncepteve moderne, drita ka veti valore dhe korpuskulare.

Ndërhyrja e dritës

Valët që krijojnë lëkundje në çdo pikë të hapësirës me një ndryshim fazor që nuk ndryshon me kalimin e kohës quhen koherente. Dallimi i fazës në këtë rast ka një vlerë konstante, por, në përgjithësi, të ndryshme për pika të ndryshme në hapësirë. Është e qartë se vetëm valët me të njëjtën frekuencë mund të jenë koherente.

Kur disa valë koherente përhapen në hapësirë, lëkundjet e krijuara nga këto valë forcojnë njëra-tjetrën në disa pika dhe dobësojnë njëra-tjetrën në të tjera. Ky fenomen quhet interferencë valore. Valët e çdo natyre fizike mund të ndërhyjnë. Ne do të shikojmë ndërhyrjen e valëve të dritës.

Burimet e valëve koherente quhen gjithashtu koherente. Kur një sipërfaqe e caktuar ndriçohet nga disa burime koherente drite, në këtë sipërfaqe zakonisht shfaqen vija të alternuara të lehta dhe të errëta.

Dy burime të pavarura drite, për shembull dy llamba elektrike, nuk janë koherente. Valët e dritës që ato lëshojnë janë rezultat i shtimit të një numri të madh valësh të emetuara nga atome individuale. Emetimi i valëve nga atomet ndodh rastësisht, dhe për këtë arsye nuk ka marrëdhënie konstante midis fazave të valëve të emetuara nga dy burime.

Kur sipërfaqja ndriçohet nga burime jokoherente, modeli i shiritave të alternuar të dritës dhe të errët, karakteristikë e ndërhyrjes nuk shfaqet. Ndriçimi në çdo pikë rezulton të jetë i barabartë me shumën e ndriçimit të krijuar nga secili prej burimeve veç e veç.

Valët koherente prodhohen duke ndarë një rreze drite nga një burim në dy ose më shumë rreze të veçanta.

Ndërhyrja e dritës mund të vërehet kur ndriçohet një pllakë transparente me trashësi të ndryshueshme, veçanërisht një pllakë në formë pyke, me rreze monokromatike (me një ngjyrë). Syri i vëzhguesit do të marrë valë të reflektuara si nga sipërfaqja e përparme ashtu edhe nga mbrapa e pllakës. Rezultati i ndërhyrjes përcaktohet nga ndryshimi në fazat e këtyre dhe valëve të tjera, i cili gradualisht ndryshon me ndryshimet në trashësi.

Kur një pllakë paralele e rrafshët ndriçohet nga një rreze paralele, diferenca fazore e valëve të dritës të reflektuara nga sipërfaqja e saj e përparme dhe e pasme është e njëjtë në të gjitha pikat - pllaka do të shfaqet njëtrajtësisht e ndriçuar.

Rreth pikës së kontaktit të një xhami pak konveks me një të sheshtë, kur ndriçohet me dritë monokromatike, vërehen unaza të errëta dhe të lehta - të ashtuquajturat unaza të Njutonit. Këtu, shtresa më e hollë e ajrit midis të dy gotave luan rolin e një filmi reflektues, që ka një trashësi konstante përgjatë rrathëve koncentrikë.

Difraksioni i dritës.

Një valë drite nuk e ndryshon formën gjeometrike të pjesës së përparme kur përhapet në një mjedis homogjen. Sidoqoftë, nëse drita përhapet në një mjedis johomogjen, në të cilin, për shembull, ka ekrane të errët, zona të hapësirës me një ndryshim relativisht të mprehtë në indeksin e thyerjes etj., atëherë vërehet një shtrembërim i frontit të valës. Në këtë rast, një rishpërndarje e intensitetit të valës së dritës ndodh në hapësirë. Kur ndriçoni, për shembull, ekrane të errët me një burim pikë drite në kufirin e hijes, ku, sipas ligjeve të optikës gjeometrike, duhet të ketë një kalim të papritur nga hija në dritë, një numër vijash të errëta dhe të lehta janë vërehet; një pjesë e dritës depërton në rajonin e hijes gjeometrike. Këto dukuri lidhen me difraksionin e dritës.

Pra, difraksioni i dritës në kuptimin e ngushtë është fenomeni i përkuljes së dritës rreth konturit të trupave të errët dhe i dritës që hyn në rajonin e një hije gjeometrike; në një kuptim të gjerë, çdo devijim në përhapjen e dritës nga ligjet e optikës gjeometrike.

Përkufizimi i Sommerfeld: difraksioni i dritës kuptohet si çdo devijim nga përhapja drejtvizore nëse nuk mund të shpjegohet si rezultat i reflektimit, përthyerjes ose përkuljes së rrezeve të dritës në media me një indeks thyerjeje që ndryshon vazhdimisht.

Nëse mediumi përmban grimca të vogla (mjegull) ose indeksi i thyerjes ndryshon dukshëm në distanca të rendit të gjatësisë së valës, atëherë në këto raste flasim për shpërndarje të dritës dhe termi "difraksion" nuk përdoret.

Ekzistojnë dy lloje të difraksionit të dritës. Duke studiuar modelin e difraksionit në një pikë vëzhgimi të vendosur në një distancë të fundme nga një pengesë, kemi të bëjmë me difraksionin Fresnel. Nëse pika e vëzhgimit dhe burimi i dritës janë të vendosura aq larg nga pengesa sa rrezet që bien në pengesë dhe rrezet që shkojnë në pikën e vëzhgimit mund të konsiderohen rreze paralele, atëherë flasim për difraksion në rrezet paralele - difraksioni Fraunhofer.

Teoria e difraksionit merr në konsideratë proceset valore në rastet kur ka ndonjë pengesë në rrugën e përhapjes së valës.

Duke përdorur teorinë e difraksionit, probleme të tilla si mbrojtja nga zhurma duke përdorur ekranet akustike, përhapja e valëve të radios mbi sipërfaqen e tokës, funksionimi i instrumenteve optike (pasi imazhi i dhënë nga një lente është gjithmonë një model difraksioni), matjet e cilësisë së sipërfaqes, studimi i strukturës së materies dhe shumë të tjera janë zgjidhur. .

Polarizimi i dritës

Dukuritë e ndërhyrjes dhe difraksionit, të cilat shërbyen për të vërtetuar natyrën valore të dritës, nuk japin ende një pamje të plotë të natyrës së valëve të dritës. Karakteristikat e reja na zbulohen nga përvoja e kalimit të dritës përmes kristaleve, veçanërisht përmes turmalinës.

Le të marrim dy pllaka identike drejtkëndëshe turmalinë, të prera në mënyrë që njëra nga anët e drejtkëndëshit të përputhet me një drejtim të caktuar brenda kristalit, i quajtur bosht optik. Le të vendosim një pjatë mbi tjetrën në mënyrë që boshtet e tyre të përkojnë në drejtim dhe të kalojmë një rreze të ngushtë drite nga një fener ose dielli përmes palës së palosur të pllakave. Meqenëse turmalina është një kristal kafe-jeshile, gjurma e rrezes së transmetuar do të shfaqet në ekran si një njollë jeshile e errët. Le të fillojmë të rrotullojmë njërën prej pllakave rreth rrezes, duke e lënë të dytën të palëvizur. Do të zbulojmë se gjurma e rrezes bëhet më e dobët dhe kur pllaka të rrotullohet 90 0, ajo do të zhduket plotësisht. Me rrotullimin e mëtejshëm të pllakës, rreze kalimi do të fillojë përsëri të intensifikohet dhe të arrijë intensitetin e saj të mëparshëm kur pllaka të rrotullohet 180 0, d.m.th. kur akset optike të pllakave janë sërish paralele. Me rrotullimin e mëtejshëm të turmalinës, rrezja dobësohet përsëri.

Të gjitha dukuritë e vëzhguara mund të shpjegohen nëse nxirren përfundimet e mëposhtme.

1) Dridhjet e dritës në rreze drejtohen pingul me vijën e përhapjes së dritës (valët e dritës janë tërthore).

2) Turmalina është në gjendje të transmetojë dridhje të dritës vetëm kur ato drejtohen në një mënyrë të caktuar në lidhje me boshtin e saj.

3) Në dritën e një feneri (dielli), vibrimet tërthore të çdo drejtimi paraqiten dhe, për më tepër, në të njëjtën proporcion, në mënyrë që asnjë drejtim të mos mbizotërojë.