Işığın elektromanyetik doğası parçacık-dalga ikiliğidir. Dalga-parçacık ikiliği nedir? Çift yarık deneyi

Işığın dalga-parçacık ikiliği, ışığın aynı anda sürekli elektromanyetik dalga özelliklerine ve ayrık foton özelliklerine sahip olduğu anlamına gelir. Bu temel sonuç 20. yüzyılda fizikçiler tarafından yapılmış ve ışıkla ilgili daha önceki fikirlerden yola çıkılarak çıkarılmıştır. Newton, ışığın parçacıklardan oluşan bir akış, yani düz bir çizgide uçan madde parçacıklarının akışı olduğuna inanıyordu. Bu teori ışığın doğrusal yayılımını iyi açıkladı. Ancak yansıma ve kırılma yasalarını açıklamada zorluklar ortaya çıktı ve kırınım ve girişim olguları parçacık teorisiyle hiçbir şekilde açıklanamadı. Bu nedenle ışığın dalga teorisi ortaya çıktı. Bu teori kırınım ve girişimi açıklıyordu ancak düz ışığı açıklamakta zorluk çekiyordu. Ancak 19. yüzyılda J. Fresnel, diğer fizikçilerin keşiflerini kullanarak, halihazırda türetilmiş ilkeleri, ışığın enine bir mekanik dalga olduğu tek bir teoride birleştirmeyi başardı. Daha sonra Maxwell ışığın bir tür elektromanyetik radyasyon olduğunu keşfetti. Ancak 20. yüzyılın başında Einstein'ın keşifleri sayesinde ışıkla ilgili fikirler yeniden değişti. Işık, bir foton akışı olarak anlaşılmaya başlandı. Ancak ışığın bazı özellikleri dalga teorisi tarafından mükemmel bir şekilde açıklandı. Işığın hem parçacık hem de dalga özelliği vardır. Bu durumda, aşağıdaki düzenlilikler mevcuttur: Dalga boyu ne kadar kısa olursa, taneciksel özellikler o kadar parlak görünür; dalga boyu ne kadar uzunsa, dalga özellikleri o kadar parlak görünür.

De Broglie'ye göre, her mikro nesne bir yandan parçacık özellikleriyle (enerji E ve momentum p), diğer yandan dalga özellikleriyle (frekans ve dalga boyu) ilişkilidir.

1924'te Fransız fizikçi L. de Broglie cesur bir hipotez öne sürdü: Dalga-parçacık ikiliği evrensel bir karaktere sahiptir; Sonlu bir P momentumuna sahip tüm parçacıklar dalga özelliklerine sahiptir. M'nin parçacığın kütlesi, V'nin hızı ve h'nin Planck sabiti olduğu ünlü de Broglie formülü fizikte böyle ortaya çıktı.

Bu yüzden, Bir mikro nesnenin parçacık ve dalga özellikleri, eşzamanlı tezahürleri açısından uyumsuzdur, ancak bunlar nesneyi eşit derecede karakterize eder; birbirini tamamlayan. Bu fikir N. Bohr tarafından ifade edildi ve şu anda sadece fizik bilimlerini değil aynı zamanda tüm doğa bilimlerini kapsayan modern bilimin en önemli metodolojik ilkesinin temelini oluşturdu: tamamlayıcılık ilkesi (1927). Öz N. Bohr'a göre tamamlayıcılık ilkesi şu şekildedir: Olaylar klasik fiziksel açıklamanın ne kadar ötesine geçerse geçsin, tüm deneysel veriler klasik kavramlar kullanılarak tanımlanmalıdır. Kuantum mekaniği olayını tam olarak tanımlamak için, birleşimi bu olaylar hakkında bir bütün olarak en eksiksiz bilgiyi sağlayan, birbirini dışlayan iki (ek) klasik kavram kümesinin kullanılması gerekir.

Genel bir bilgi ilkesi olarak tamamlayıcılık ilkesi şu şekilde formüle edilebilir: Her gerçek doğal fenomen, dilimizin sözcüklerini kullanarak açık bir şekilde tanımlanamaz ve tanımlanması için birbirini dışlayan en az iki ek kavram gerektirir. Bu tür fenomenler, örneğin kuantum fenomenlerini, yaşamı, ruhu vb. içerir. Bohr, özellikle, bunları sağlayan canlı organizmaların son derece karmaşık yapısı ve işlevlerinden kaynaklanan tamamlayıcılık ilkesinin biyolojide uygulanması ihtiyacını gördü. neredeyse tükenmez gizli yeteneklere sahip.

Geçtiğimiz yüzyıl boyunca bilim, dünyamızın yapısını hem mikroskobik hem de makroskobik düzeyde inceleme konusunda büyük ilerlemeler kaydetti. Özel ve genel görelilik teorileri ile kuantum mekaniğinin bizlere getirdiği şaşırtıcı keşifler hâlâ kamuoyunun kafasını karıştırıyor. Ancak eğitimli herhangi bir kişinin en azından modern bilimsel başarıların temellerini anlaması gerekir. En etkileyici ve önemli noktalardan biri dalga-parçacık ikiliğidir. Bu, anlaşılması sezgisel gündelik algının ötesinde olan paradoksal bir keşiftir.

Parçacıklar ve dalgalar

Dualizm ilk olarak koşullara bağlı olarak tamamen farklı davranan ışığın incelenmesi sırasında keşfedildi. Bir yandan ışığın optik bir elektromanyetik dalga olduğu ortaya çıktı. Öte yandan ayrı bir parçacık (ışığın kimyasal etkisi) vardır. Başlangıçta bilim adamları bu iki fikrin birbirini dışladığına inanıyorlardı. Ancak çok sayıda deney durumun böyle olmadığını göstermiştir. Yavaş yavaş dalga-parçacık ikiliği gibi bir kavramın gerçekliği olağan hale geldi. Bu kavram, ne dalga ne de parçacık olan, ancak belirli koşullara bağlı olarak yalnızca ikincisinin veya birincisinin özelliklerini kazanan karmaşık kuantum nesnelerinin davranışını incelemek için temel sağlar.

Çift yarık deneyi

Foton kırınımı dualizmin açık bir göstergesidir. Yüklü parçacıkların dedektörü bir fotoğraf plakası veya bir floresan ekrandır. Her bir foton aydınlatma veya spot flaşla işaretlendi. Bu tür işaretlerin kombinasyonu, dalga kırınımının bir özelliği olan, zayıf ve güçlü bir şekilde aydınlatılmış şeritlerin dönüşümlü olarak bir girişim deseni verdi. Bu, dalga-parçacık ikiliği gibi bir kavramla açıklanmaktadır. Ünlü fizikçi ve Nobel ödüllü Richard Feynman, maddenin küçük ölçeklerde öyle davrandığını ve kuantum davranışının "doğallığını" hissetmenin imkansız olduğunu söyledi.

Evrensel dualizm

Ancak bu deneyim sadece fotonlar için geçerli değildir. Düalizmin tüm maddelerin bir özelliği olduğu ve evrensel olduğu ortaya çıktı. Heisenberg, maddenin dönüşümlü olarak her iki biçimde de var olduğunu savundu. Bugün her iki özelliğin tamamen aynı anda ortaya çıktığı kesinlikle kanıtlanmıştır.

Korpüsküler dalga

Maddenin bu davranışını nasıl açıklayabiliriz? Taneciklerin (parçacıkların) doğasında bulunan dalgaya, bu soruna bir çözüm öneren genç aristokrat bilim adamının adını taşıyan de Broglie dalgası denir. De Broglie denklemlerinin, karesi alındığında yalnızca bir parçacığın farklı zamanlarda uzayın farklı noktalarında bulunma olasılığını belirleyen bir dalga fonksiyonunu tanımladığı genel olarak kabul edilir. Basitçe söylemek gerekirse, de Broglie dalgası bir olasılıktır. Böylece matematiksel kavram (olasılık) ile gerçek süreç arasında eşitlik sağlandı.

Kuantum alanı

Maddenin tanecikleri nelerdir? Genel olarak bunlar dalga alanlarının kuantumlarıdır. Bir foton, bir elektromanyetik alanın kuantumudur, bir pozitron ve bir elektron, bir elektron-pozitron alanıdır, bir mezon, bir mezon alanının kuantumudur vb. Dalga alanları arasındaki etkileşim, aralarında belirli ara parçacıkların değişimiyle açıklanır, örneğin elektromanyetik etkileşim sırasında foton alışverişi olur. Bundan doğrudan de Broglie tarafından açıklanan dalga süreçlerinin kesinlikle gerçek fiziksel olaylar olduğunun başka bir doğrulaması gelir. Ve parçacık-dalga düalizmi, parçacıkların "reenkarne olma" yeteneğini karakterize eden "gizemli bir gizli özellik" olarak hareket etmez. Birbiriyle ilişkili iki eylemi açıkça göstermektedir - bir nesnenin hareketi ve onunla ilişkili dalga süreci.

Tünel etkisi

Işığın dalga-parçacık ikiliği diğer birçok ilginç olayla ilişkilidir. De Broglie dalgasının hareket yönü, tünel etkisi adı verilen olay sırasında, yani fotonlar enerji bariyerini aştığında ortaya çıkar. Bu olaya parçacık momentumunun dalga antinodu anında ortalama değeri aşması neden olur. Tünel açma birçok elektronik cihazın geliştirilmesini mümkün kılmıştır.

Işık kuantumunun girişimi

Modern bilim, fotonların girişiminden, elektronların girişimiyle aynı gizemli şekilde bahsediyor. Bölünemez bir parçacık olan fotonun, aynı anda kendisine açık olan herhangi bir yoldan geçebildiği ve kendisine müdahale edebildiği ortaya çıktı. Maddenin ve fotonun özelliklerinin dalga-parçacık ikiliğinin birçok yapısal unsuru kapsayan bir dalga olduğunu hesaba katarsak, bölünebilirliği göz ardı edilmez. Bu, parçacığın temel bölünmez bir oluşum olduğu yönündeki önceki görüşlerle çelişiyor. Belirli bir hareket kütlesine sahip olan foton, bu hareketle ilişkili, parçacığın kendisinden önce gelen uzunlamasına bir dalga oluşturur, çünkü uzunlamasına dalganın hızı enine elektromanyetik dalganın hızından daha yüksektir. Bu nedenle, bir fotonun kendi kendine girişiminin iki açıklaması vardır: parçacık, birbirine girişim yapan iki bileşene bölünmüştür; Foton dalgası iki yol boyunca ilerler ve bir girişim deseni oluşturur. Tek yüklü parçacıklar-fotonlar sırayla interferometreden geçirildiğinde de bir girişim modelinin yaratıldığı deneysel olarak keşfedildi. Bu, her bir fotonun kendine müdahale ettiği tezini doğruluyor. Bu, özellikle ışığın (ne tutarlı ne de tek renkli) birbirine bağlı ve rastgele süreçlerde atomlar tarafından yayılan bir foton koleksiyonu olduğu gerçeği dikkate alındığında açıkça görülmektedir.

Işık nedir?

Işık dalgası, uzay boyunca dağılan, lokalize olmayan bir elektromanyetik alandır. Bir dalganın elektromanyetik alanı, genliğin karesiyle orantılı hacimsel bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Bu, enerji yoğunluğunun herhangi bir miktarda değişebileceği, yani sürekli olduğu anlamına gelir. Bir yandan ışık, parçacık-dalga ikiliği gibi bir olgunun evrenselliği sayesinde bir elektromanyetik dalganın özelliklerini temsil eden bir kuantum ve foton (parçacık) akışıdır. Örneğin girişim, kırınım ve ölçek olaylarında ışık, açıkça bir dalganın özelliklerini gösterir. Örneğin yukarıda anlatıldığı gibi çift yarıktan geçen tek bir foton girişim deseni oluşturur. Deneylerin yardımıyla tek bir fotonun elektromanyetik darbe olmadığı kanıtlandı. Fransız fizikçiler Aspe, Roger ve Grangier'in gösterdiği gibi ışın ayırıcılarla ışınlara bölünemez.

Işık aynı zamanda Compton etkisi ve fotoelektrik etkide kendini gösteren taneciksel özelliklere de sahiptir. Bir foton, boyutları dalga boyundan çok daha küçük olan nesneler (örneğin atom çekirdeği) tarafından tamamen emilen bir parçacık gibi davranabilir. Bazı durumlarda fotonlar genellikle nokta nesneler olarak kabul edilebilir. Işığın özelliklerini hangi konumda ele aldığımızın hiçbir önemi yoktur. Renkli görme alanında, bir ışık akışı hem dalga hem de enerji kuantumu olarak parçacık-foton gibi davranabilir. Koni zarı gibi retinal bir fotoreseptöre odaklanan bir nokta, gözün ana spektral ışık ışınları olarak kendi filtrelenmiş değerini oluşturmasına ve bunları dalga boylarına ayırmasına izin verebilir. Kuantum enerji değerlerine göre beyinde nesne noktası bir renk hissine (odaklanmış optik görüntü) dönüştürülecektir.

Akıllara durgunluk veren konularımızla unutulduğumuzu düşünüyorsanız, sizi hayal kırıklığına uğratmak ve mutlu etmek için acele ediyoruz: yanıldınız! Aslında tüm bu zaman boyunca kuantum paradokslarıyla ilgili çılgın konuları sunmanın kabul edilebilir bir yöntemini bulmaya çalışıyorduk. Birkaç taslak yazdık ama hepsi soğuğa atıldı. Çünkü kuantum şakalarını açıklamaya gelince, bizim de kafamız karışıyor ve pek bir şey anlamadığımızı itiraf ediyoruz (ve genel olarak, dünyanın harika bilim adamları da dahil olmak üzere çok az insan bu konuyu anlıyor). Ne yazık ki, kuantum dünyası, dar görüşlü dünya görüşüne o kadar yabancı ki, yanlış anlaşılmanızı kabul etmek ve en azından temelleri anlamak için birlikte biraz denemek hiç de utanç verici değil.

Her ne kadar her zamanki gibi Google'dan alınan görsellerle mümkün olduğunca net bir şekilde konuşmaya çalışsak da, deneyimsiz okuyucunun ilk hazırlıklara ihtiyacı olacak, bu nedenle önceki konularımıza, özellikle de kuantum ve maddeye göz atmanızı öneririz.
Özellikle hümanistler ve ilgilenen diğer insanlar için - kuantum paradoksları. Bölüm 1.

Bu konuda kuantum dünyasının en yaygın gizemi olan dalga-parçacık ikiliğinden bahsedeceğiz. “En sıradan” derken, fizikçilerin bundan o kadar sıkıldığını ve artık bir sır gibi görünmediğini kastediyoruz. Ancak bunların hepsi, diğer kuantum paradokslarının ortalama bir zihin için kabul edilmesinin çok daha zor olmasından kaynaklanmaktadır.

Ve bu böyleydi. Eski güzel günlerde, 17. yüzyılın ortalarında, Newton ve Huygens ışığın varlığı konusunda aynı fikirde değillerdi: Newton utanmadan ışığın parçacıklardan oluşan bir akış olduğunu ilan etti ve yaşlı Huygens ışığın bir dalga olduğunu kanıtlamaya çalıştı. Ancak Newton daha otoriterdi, dolayısıyla ışığın doğası hakkındaki açıklaması doğru olarak kabul edildi ve Huygens'e güldü. Ve iki yüz yıl boyunca ışık, doğasını bir gün keşfetmeyi umdukları bazı bilinmeyen parçacıkların akışı olarak kabul edildi.

19. yüzyılın başlarında Thomas Young adında bir oryantalist, optik aletlerle uğraşmış, bunun sonucunda da günümüzde Young deneyi olarak adlandırılan bir deneyi gerçekleştirmiş ve her fizikçi bu deneyi kutsal saymıştır.

Thomas Young, plakadaki iki yarıktan bir ışık ışınını (aynı renkte, dolayısıyla frekansı yaklaşık olarak aynı olacak şekilde) yönlendirdi ve arkasına başka bir ekran plakası yerleştirdi. Ve sonucu meslektaşlarına gösterdi. Işık bir parçacık akışı olsaydı, arka planda iki ışık şeridi görürdük.
Ancak maalesef tüm bilim dünyası için plaka ekranında bir dizi koyu ve açık şerit belirdi. Girişim adı verilen yaygın bir olgu, iki (veya daha fazla dalganın) üst üste binmesidir.

Bu arada, müdahale sayesinde bir yağ lekesinde veya sabun köpüğünde gökkuşağı renklerini gözlemliyoruz.

Başka bir deyişle Thomas Young ışığın dalga olduğunu deneysel olarak kanıtladı. Bilim dünyası uzun süre Jung'a inanmak istemedi ve bir ara o kadar eleştirildi ki dalga teorisine dair fikirlerinden bile vazgeçti. Ancak bunların doğruluğuna olan güven yine de galip geldi ve bilim adamları ışığı bir dalga olarak görmeye başladı. Doğru, bir dalga - bu bir gizemdi.
Resimde eski güzel Jung deneyi görülüyor.

Işığın dalga doğasının klasik fiziği pek etkilemediğini söylemek gerekir. Bilim adamları formülleri yeniden yazdılar ve yakında tüm dünyanın her şey için tek bir evrensel formülün altına düşeceğine inanmaya başladılar.
Ama Einstein'ın her zaman olduğu gibi her şeyi mahvettiğini zaten tahmin etmiştiniz. Sorun diğer taraftan da ortaya çıktı - ilk başta bilim adamlarının termal dalgaların enerjisini hesaplamada kafaları karıştı ve kuantum kavramını keşfettiler (bunu ilgili konu başlığımızda mutlaka okuyun ""). Ve sonra, aynı kuantumların yardımıyla Einstein, fotoelektrik etki olayını açıklayarak fiziğe bir darbe indirdi.

Kısaca: Fotoelektrik etki (bunun sonuçlarından biri filme maruz kalmadır), elektronların belirli malzemelerin yüzeyinden ışıkla koparılmasıdır. Teknik olarak bu bayılma, sanki ışık bir parçacıkmış gibi gerçekleşir. Einstein ışık parçacığına ışık kuantumu adını verdi ve daha sonra ona foton adı verildi.

1920'de, ışığın anti-dalga teorisine şaşırtıcı Compton etkisi eklendi: Bir elektron foton bombardımanına tutulduğunda, foton enerji kaybıyla elektrondan geri döner (biz maviyle "ateş ederiz" ama kırmızı olan uçar). kapalı), diğerinden gelen bir bilardo topu gibi. Compton bunun için Nobel Ödülü'nü kazandı.

Bu sefer fizikçiler ışığın dalga doğasından vazgeçmek konusunda temkinli davrandılar, bunun yerine çok düşündüler. Bilim korkunç bir gizemle karşı karşıyadır: Işık dalga mıdır yoksa parçacık mıdır?

Her dalga gibi ışığın da bir frekansı vardır ve bunu kontrol etmek kolaydır. Farklı renkler görüyoruz çünkü her renk bir elektromanyetik (ışık) dalganın farklı frekansıdır: kırmızı düşük frekanstır, mor ise yüksek frekanstır.
Ama şaşırtıcı: Görünür ışığın dalga boyu bir atomun beş bin katı büyüklüğündedir - atom bu dalgayı emdiğinde böyle bir "şey" atomun içine nasıl sığar? Keşke foton, boyut olarak atomla karşılaştırılabilecek bir parçacık olsaydı. Bir foton aynı anda hem büyük hem de küçük müdür?

Ek olarak, fotoelektrik etki ve Compton etkisi, ışığın hala bir parçacık akışı olduğunu açıkça kanıtlıyor: Bir dalganın enerjiyi uzayda bulunan elektronlara nasıl aktardığı açıklanamaz - eğer ışık bir dalga olsaydı, o zaman bazı elektronlar daha sonra devre dışı bırakılırdı. diğerlerinden daha ve fenomeni fotoelektrik etkiyi gözlemlemezdik. Ancak bir akış durumunda, tek bir foton tek bir elektronla çarpışır ve belirli koşullar altında onu atomun dışına atar.

Sonuç olarak şuna karar verildi: Işık hem dalga hem de parçacıktır. Daha doğrusu, ne biri ne de diğeri, maddenin daha önce bilinmeyen yeni bir varoluş biçimi: gözlemlediğimiz fenomenler, olup bitenlere nasıl baktığınıza bağlı olarak, gerçek durumun sadece yansımaları veya gölgeleridir. Bir taraftan aydınlatılan bir silindirin gölgesine baktığımızda bir daire, diğer taraftan aydınlatıldığında ise dikdörtgen bir gölge görürüz. Işığın parçacık-dalga gösteriminde de durum aynıdır.

Ama burada bile her şey kolay değil. Işığı bir dalga ya da parçacık akışı olarak gördüğümüzü söyleyemeyiz. Pencereden dışarı bakmak. Aniden temiz yıkanmış camda bile bulanık da olsa kendi yansımamızı görürüz. Amaç ne? Işık bir dalgaysa, penceredeki yansımayı açıklamak kolaydır; bir dalga bir engelden yansıdığında suda da benzer etkiler görürüz. Ancak ışık bir parçacık akışı ise yansıma o kadar kolay açıklanamaz. Sonuçta tüm fotonlar aynıdır. Ancak hepsi aynıysa, pencere camı şeklindeki bariyerin onlar üzerinde de aynı etkiyi yapması gerekir. Ya hepsi camdan geçer ya da hepsi yansıtılır. Ancak sert gerçeklikte, bazı fotonlar camın içinden uçuyor ve biz komşu evi görüyoruz ve hemen yansımamızı görüyoruz.

Ve aklıma gelen tek açıklama: fotonlar kendi başlarınadır. Belirli bir fotonun nasıl davranacağını (camla parçacık olarak mı yoksa dalga olarak mı çarpışacağını) yüzde yüz olasılıkla tahmin etmek imkansızdır. Bu, kuantum fiziğinin temelidir - maddenin mikro düzeyde, hiçbir sebep olmadan tamamen, kesinlikle rastgele davranışı (ve büyük miktarlardan oluşan dünyamızda, her şeyin bir nedeni olduğunu deneyimlerimizden biliyoruz). Bu, yazı tura atmanın aksine mükemmel bir rastgele sayı üretecidir.

Fotonu keşfeden dahi Einstein, hayatının sonuna kadar kuantum fiziğinin yanlış olduğuna ikna olmuş ve herkese "Tanrı zar atmaz" güvencesini vermişti. Ancak modern bilim, bunun işe yaradığını giderek daha fazla doğruluyor.

Öyle ya da böyle, bilim insanları bir gün "dalga mı parçacık mı" tartışmasına son vermeye ve Jung'un deneyimini 20. yüzyılın teknolojilerini de dikkate alarak yeniden üretmeye karar verdiler. Bu zamana kadar, fotonları teker teker vurmayı öğrenmişlerdi (halk arasında "lazerler" olarak bilinen kuantum üreteçleri) ve bu nedenle, bir parçacık iki yarıktan bir parçacığı vurduğunda ekranda ne olacağını kontrol etmeye karar verildi: Kontrollü deneysel koşullar altında maddenin ne olduğu nihayet açıklığa kavuşacak.

Ve aniden - tek bir ışık kuantumu (foton) bir girişim deseni gösterdi, yani parçacık her iki yarıktan aynı anda uçtu, foton kendi kendine girişimde bulundu (bilimsel açıdan). Teknik noktayı açıklığa kavuşturalım - aslında girişim resmi tek bir fotonla değil, 10 saniye aralıklarla tek bir parçacığa yapılan bir dizi çekimle gösterildi - zamanla, 1801'den beri herhangi bir C öğrencisinin aşina olduğu Young'ın saçakları ortaya çıktı. ekran.

Dalga açısından bakıldığında bu mantıklıdır - dalga çatlaklardan geçer ve şimdi iki yeni dalga eşmerkezli daireler halinde birbiriyle örtüşerek birbirinden ayrılır.
Ancak parçacık açısından bakıldığında, fotonun yarıklardan geçerken aynı anda iki yerde olduğu ve geçtikten sonra kendi kendine karıştığı ortaya çıkıyor. Bu genellikle normaldir, değil mi?
Bunun normal olduğu ortaya çıktı. Üstelik foton aynı anda iki yarıkta bulunduğundan, hem yarıklardan önce hem de yarıklardan geçtikten sonra aynı anda her yerde olduğu anlamına gelir. Ve genel olarak kuantum fiziği açısından başlangıç ​​ve bitiş arasında salınan foton aynı anda "her yerde ve aynı anda"dır. Fizikçiler böyle bir parçacığın bulunmasına "her yerde aynı anda" süperpozisyon diyorlar; eskiden matematiksel bir şımarıklık olan bu korkunç kelime artık fiziksel bir gerçekliğe dönüştü.

Kuantum fiziğinin tanınmış bir rakibi olan E. Schrödinger, o sıralarda bir yerlerde maddenin, örneğin su gibi dalga özelliklerini tanımlayan bir formül bulmuştu. Ve üzerinde biraz uğraştıktan sonra dehşet içinde dalga fonksiyonu denilen sonucu çıkardım. Bu fonksiyon belirli bir konumda bir fotonun bulunma olasılığını gösteriyordu. Bunun kesin bir konum değil, bir olasılık olduğunu unutmayın. Ve bu olasılık, belirli bir konumdaki kuantum dalga tepesinin yüksekliğinin karesine bağlıydı (eğer ayrıntılarla ilgilenen varsa).

Parçacıkların konumunu ölçme konularına ayrı bir bölüm ayıracağız.

Daha sonraki keşifler, dualizm içeren şeylerin daha da kötü ve daha gizemli olduğunu gösterdi.
1924'te Louis de Broglie adında biri, ışığın dalga-parçacık özelliklerinin buzdağının görünen kısmı olduğunu söyledi. Ve tüm temel parçacıklar bu anlaşılmaz özelliğe sahiptir.
Yani, bir parçacık ve bir dalga aynı anda sadece elektromanyetik alanın parçacıkları (fotonlar) değil, aynı zamanda elektronlar, protonlar vb. gibi gerçek parçacıklardır. Çevremizdeki mikroskobik düzeydeki tüm maddeler dalgalardır(ve aynı zamanda parçacıklar).

Ve birkaç yıl sonra, bu deneysel olarak bile doğrulandı - Amerikalılar elektronları (bugünün eski osurukları tarafından "kinescope" adı altında bilinen) katot ışın tüplerine sürdüler - ve böylece elektronların yansımasıyla ilgili gözlemler bir elektronun varlığını doğruladı. aynı zamanda bir dalgadır (anlaşılması kolay olsun diye elektronun yoluna iki yarıklı bir plaka yerleştirdiler ve elektronun girişimini olduğu gibi gördüler diyebilirsiniz).

Bugüne kadar yapılan deneyler, atomların da dalga özelliklerine sahip olduğunu ve hatta bazı özel molekül türlerinin ("fullerenler" olarak adlandırılan) kendilerini dalga olarak gösterdiğini keşfetti.

Henüz hikayemiz karşısında şaşkına dönmemiş olan okuyucunun meraklı zihni şu soruyu soracaktır: Eğer madde bir dalgaysa, o zaman neden örneğin uçan bir top uzaya dalga şeklinde yayılmadı? Bir jet uçağı neden dalgaya hiç benzemiyor da jet uçağına çok benziyor?

Şeytan De Broglie burada her şeyi açıkladı: Evet, uçan bir top veya bir Boeing de bir dalgadır, ancak bu dalganın uzunluğu ne kadar kısaysa, itme o kadar büyük olur. Momentum kütle çarpı hızdır. Yani maddenin kütlesi ne kadar büyük olursa dalga boyu da o kadar kısa olur. 150 km/saat hızla uçan bir topun dalga boyu yaklaşık 0,00 metre olacaktır. Bu nedenle topun uzayda dalga halinde nasıl yayıldığını fark edemiyoruz. Bizim için katı maddedir.
Elektron çok hafif bir parçacıktır ve 6000 km/sn hızla uçarken, 0,0000000001 metrelik gözle görülür bir dalga boyuna sahip olacaktır.

Bu arada atom çekirdeğinin neden bu kadar “dalgalı” olmadığı sorusunun cevabını hemen verelim. Elektronun çılgınca uçtuğu ve aynı zamanda bulaştığı atomun merkezinde yer almasına rağmen, proton ve nötronların kütlesi ile ilişkili iyi bir momentumun yanı sıra yüksek frekanslı salınım (hız) vardır. çekirdeğin içindeki güçlü etkileşimin içinde sürekli bir parçacık değişiminin varlığına (konuyu okuyun). Dolayısıyla çekirdek daha çok aşina olduğumuz katı maddeye benziyor. Görünüşe göre elektron, dalga özelliklerini açıkça ifade eden kütlesi olan tek parçacıktır, bu nedenle herkes onu zevkle inceler.

Parçacıklarımıza dönelim. Böylece ortaya çıktı: Bir atomun etrafında dönen bir elektron hem parçacık hem de dalgadır. Yani parçacık döner ve aynı zamanda elektron, bir dalga olarak çekirdeğin etrafında belirli bir şekle sahip bir kabuğu temsil eder - bu insan beyni tarafından nasıl anlaşılabilir?

Yukarıda, uçan bir elektronun oldukça büyük (mikrokozmos için) bir dalga boyuna sahip olduğunu ve bir atomun çekirdeğinin etrafına sığabilmesi için böyle bir dalganın uygunsuz derecede büyük miktarda alana ihtiyacı olduğunu hesaplamıştık. Çekirdeğe kıyasla bu kadar büyük atom boyutlarını açıklayan şey tam olarak budur. Elektronun dalga boyları atomun büyüklüğünü belirler. Çekirdek ile atomun yüzeyi arasındaki boş alan, elektronun dalga boyunun (ve aynı zamanda parçacığının) “yerleşmesi” ile doldurulur. Bu çok kaba ve yanlış bir açıklama - lütfen bizi affedin - gerçekte her şey çok daha karmaşık, ancak amacımız en azından tüm bunlarla ilgilenen insanların bilimin granitinden bir parça kemirmesine izin vermek.

Tekrar açık olalım! Yazıya yapılan bazı yorumlardan sonra bu yazıda ne kadar önemli bir noktanın eksik olduğunu anladık. Dikkat! Maddenin tanımladığımız şekli ne dalga ne de parçacıktır. Yalnızca (aynı anda) dalga özelliklerine ve parçacık özelliklerine sahiptir. Elektromanyetik dalganın veya elektron dalgasının deniz dalgalarına veya ses dalgalarına benzediği söylenemez. Aşina olduğumuz dalgalar, bazı maddelerle dolu uzaydaki bozuklukların yayılmasını temsil ediyor.
Fotonlar, elektronlar ve mikrokozmosun diğer örnekleri, uzayda hareket ederken dalga denklemleriyle tanımlanabilir; davranışları yalnızca bir dalgaya BENZERdir, ancak hiçbir durumda bir dalga değildirler. Maddenin parçacık yapısına benzer: Bir parçacığın davranışı küçük nokta toplarının uçuşuna benzer, ancak bunlar asla top değildir.
Bunun anlaşılması ve kabul edilmesi gerekir, aksi takdirde tüm düşüncelerimiz sonunda makrokozmosta analog arayışına yol açacak ve böylece kuantum fiziği anlayışı sona erecek ve kuantum büyüsü ve keşişlik gibi keşişlik veya şarlatan felsefesi başlayacak. Düşüncelerin maddiliği.

Jung'un modernleştirilmiş deneyinin geri kalan korkunç sonuçlarını ve sonuçlarını bir sonraki bölümde ele alacağız - Heisenberg'in belirsizliği, Schrödinger'in kedisi, Pauli dışlama ilkesi ve kuantum dolanıklığı, makalelerimizi birden fazla kez tekrar okuyacak ve altüst edecek sabırlı ve düşünceli okuyucuyu bekliyor. Ek bilgi aramak için İnternet üzerinden.

İlginiz için hepinize teşekkür ederim. Herkese mutlu uykusuzluklar veya bilişsel kabuslar!

Not: Tüm görsellerin Google'dan alındığını (görsellere göre arama) - yazarlığın orada belirlendiğini özenle hatırlatırız.
Metnin yasa dışı kopyalanması dava ediliyor, bastırılıyor, biliyorsunuz...

Dalga-parçacık ikiliği– herhangi bir mikropartikülün, bir partikül (parçacık) ve bir dalganın işaretlerini tespit etme özelliği. Dalga-parçacık ikiliği en açık biçimde temel parçacıklarda kendini gösterir. Bir elektron, bir nötron, bir foton, bazı koşullar altında, uzayda iyi lokalize edilmiş maddi nesneler (parçacıklar) gibi davranır, belirli enerjiler ve dürtülerle klasik yörüngeler boyunca hareket eder ve diğerlerinde, yeteneklerinde kendini gösteren dalgalar gibi davranır. girişim ve kırınım. Böylece, serbest elektronlara saçılan bir elektromanyetik dalga, elektromanyetik alanın kuantumu olan fotonlar gibi bireysel parçacıklardan oluşan bir akış gibi davranır (Compton etkisi) ve fotonun momentumu p = h/λ formülüyle verilir, burada λ elektromanyetik dalganın uzunluğu ve h Planck sabitidir. Bu formül başlı başına düalizmin kanıtıdır. İçinde, solda tek bir parçacığın (fotonun) momentumu, sağda ise fotonun dalga boyu vardır. Parçacık olarak düşünmeye alışkın olduğumuz elektronların dualitesi, tek bir kristalin yüzeyinden yansıdığında elektronların dalga özelliklerinin bir tezahürü olan bir kırınım modelinin gözlemlenmesiyle ortaya çıkar. Bir elektronun parçacık ve dalga özellikleri arasındaki niceliksel ilişki, bir fotonla aynıdır: р = h/λ (р, elektronun momentumudur ve λ, onun de Broglie dalga boyudur). Dalga-parçacık ikiliği kuantum fiziğinin temelidir.

Dalga (kürk), her zaman uzayda belirli bir hacmi kaplayan maddi ortamla ilişkili bir süreçtir.

64. De Broglie el sallıyor. Mikropartiküllerin elektron kırınımı dalga özellikleri.

Mikropartiküllerin hareketinin dalga doğası hakkındaki hipotezde alınan maddenin parçacık dalga özellikleri hakkında fikirlerin geliştirilmesi. Louis de Broglie, madde ve ışık parçacıklarının doğadaki simetrisi fikrinden hareketle, herhangi bir mikropartiküle belirli bir iç periyodik süreç atfetmiştir (1924). E = hν ve E = mc 2 formüllerini birleştirerek her parçacığın kendine ait olduğunu gösteren bir ilişki elde etti. dalga boyu : λ B = h/mv = h/p, burada p dalga parçacığının momentumudur. Örneğin, enerjisi 10 eV olan bir elektron için de Broglie dalga boyu 0,388 nm'dir. Daha sonra kuantum mekaniğinde bir mikroparçacığın durumunun belirli bir kompleksle tanımlanabileceği gösterildi. dalga fonksiyonu koordinatları Ψ(q) ve bu fonksiyonun kare modülü |Ψ| 2 Koordinat değerlerinin olasılık dağılımını tanımlar. Bu fonksiyon kuantum mekaniğine ilk kez 1926'da Schrödinger tarafından dahil edilmiştir. Dolayısıyla de Broglie dalgası enerji taşımaz, yalnızca uzaydaki bazı olasılıksal periyodik süreçlerin "faz dağılımını" yansıtır. Sonuç olarak, mikro dünya nesnelerinin durumunun açıklaması olasılıksal doğa klasik mekaniğin yasalarıyla tanımlanan makro dünyanın nesnelerinin aksine.

De Broglie'nin mikropartiküllerin dalga doğası hakkındaki fikrini kanıtlamak için Alman fizikçi Elsasser, elektron kırınımını gözlemlemek için kristallerin kullanılmasını önerdi (1925). ABD'de K. Davisson ve L. Germer, bir elektron ışınının bir nikel kristali plakasından geçtiğinde kırınım olgusunu keşfettiler (1927). Bunlardan bağımsız olarak, metal folyodan geçen elektronların kırınımı, İngiltere'de J.P. Thomson ve P.S. SSCB'de Tartakovski. Böylece de Broglie'nin maddenin dalga özelliklerine ilişkin fikri deneysel olarak doğrulandı. Daha sonra atomik ve moleküler ışınlarda kırınım ve dolayısıyla dalga özellikleri keşfedildi. Sadece fotonlar ve elektronlar değil, tüm mikropartiküller de parçacık-dalga özelliğine sahiptir.

Mikropartiküllerin dalga özelliklerinin keşfi, klasik fizik açısından niteliksel olarak farklı kabul edilen alan (sürekli) ve madde (ayrık) gibi madde formlarının belirli koşullar altında her iki formun doğasında bulunan özellikleri sergileyebileceğini gösterdi. Bu, bu madde biçimlerinin birliğinden söz eder. Özelliklerinin tam bir açıklaması yalnızca karşıt ancak tamamlayıcı fikirler temelinde mümkündür.

giriiş

Neredeyse aynı anda iki ışık teorisi öne sürüldü: Newton'un parçacık teorisi ve Huygens'in dalga teorisi.

Newton'un 17. yüzyılın sonlarında ortaya attığı parçacık teorisine veya dışarı akış teorisine göre, ışıklı cisimler her yöne doğru uçan küçük parçacıklar (parçacıklar) yayar ve bunlar göze girdiğinde ışık hissine neden olur. .

Dalga teorisine göre, ışıklı bir cisim, tüm kozmik alanı dolduran özel bir ortamda (dünya eterinde) elastik titreşimlere neden olur ve bu titreşimler, havadaki ses dalgaları gibi eterde yayılır.

Newton ve Huygens'in zamanında çoğu bilim adamı, o zamanlar bilinen tüm ışık olaylarını oldukça tatmin edici bir şekilde açıklayan Newton'un parçacık teorisine bağlıydı. Işığın yansıması, elastik cisimlerin bir düzlemle çarpışması sonucu yansımasına benzer şekilde açıklandı. Işığın kırılması, daha yoğun bir ortamdan parçacıklar üzerindeki büyük çekici kuvvetlerin etkisiyle açıklandı. Newton'un teorisine göre kendini gösteren bu kuvvetlerin etkisi altında, daha yoğun bir ortama yaklaşıldığında ışık tanecikleri, bu ortamın sınırına dik olarak yönlendirilmiş bir ivme almış ve bunun sonucunda hareket yönünü değiştirmişlerdir. aynı zamanda hızlarını da artırdılar. Diğer ışık olayları da benzer şekilde açıklandı.

Daha sonra ortaya çıkan yeni gözlemler bu teorinin çerçevesine uymuyordu. Özellikle ışığın suda yayılma hızı ölçüldüğünde bu teorinin tutarsızlığı keşfedildi. Havadakinden daha fazla değil, daha az olduğu ortaya çıktı.

19. yüzyılın başında Huygens'in çağdaşları tarafından tanınmayan dalga teorisi, Young ve Fresnel tarafından geliştirilip geliştirildi ve evrensel kabul gördü. Geçen yüzyılın 60'lı yıllarında Maxwell elektromanyetik alan teorisini geliştirdikten sonra ışığın elektromanyetik dalgalar olduğu ortaya çıktı. Böylece ışığın dalga mekaniği teorisinin yerini dalga elektromanyetik teorisi aldı. Işık dalgaları (görünür spektrum) elektromanyetik dalga ölçeğinde 0,4-0,7 µm aralığını kaplar. Radyasyonu sürekli bir süreç olarak ele alan Maxwell'in ışığın dalga teorisi, yeni keşfedilen bazı optik olayları açıklayamadı. Bir ışık dalgasının enerjisinin sürekli olarak değil, yalnızca ışık dalgasının uzunluğuna bağlı olan belirli kısımlarda (ışık kuantumu veya fotonlar) yayıldığı, dağıtıldığı ve emildiği kuantum ışık teorisi ile desteklenmiştir. Dolayısıyla modern kavramlara göre ışık hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahiptir.

Işık girişimi

Zamanla değişmeyen faz farkıyla uzayın her noktasında salınımlar yaratan dalgalara tutarlı denir. Bu durumda faz farkı sabittir, ancak genel olarak konuşursak, uzaydaki farklı noktalar için farklı bir değere sahiptir. Yalnızca aynı frekanstaki dalgaların tutarlı olabileceği açıktır.

Birkaç uyumlu dalga uzayda yayıldığında, bu dalgaların ürettiği salınımlar bazı noktalarda birbirini güçlendirirken bazı noktalarda zayıflatır. Bu olaya dalga girişimi denir. Herhangi bir fiziksel nitelikteki dalgalar müdahale edebilir. Işık dalgalarının girişimine bakacağız.

Tutarlı dalgaların kaynaklarına da tutarlı denir. Belirli bir yüzey birden fazla uyumlu ışık kaynağıyla aydınlatıldığında, genellikle bu yüzey üzerinde alternatif açık ve koyu şeritler belirir.

İki bağımsız ışık kaynağı, örneğin iki elektrik lambası tutarlı değildir. Yaydıkları ışık dalgaları, tek tek atomlar tarafından yayılan çok sayıda dalganın eklenmesinin sonucudur. Dalgaların atomlar tarafından yayılması rastgele meydana gelir ve bu nedenle iki kaynaktan yayılan dalgaların fazları arasında sabit bir ilişki yoktur.

Yüzey tutarsız kaynaklarla aydınlatıldığında, girişimin karakteristik özelliği olan alternatif açık ve koyu şeritlerin deseni görünmez. Her noktadaki aydınlatma, her bir kaynağın ayrı ayrı yarattığı aydınlatmanın toplamına eşit olur.

Tutarlı dalgalar, bir kaynaktan gelen bir ışık ışınının iki veya daha fazla ayrı ışına bölünmesiyle üretilir.

Değişken kalınlıktaki şeffaf bir plaka, özellikle kama şeklindeki bir plaka, monokromatik (tek renkli) ışınlarla aydınlatıldığında ışık girişimi gözlemlenebilir. Gözlemcinin gözü plakanın hem ön hem de arka yüzeyinden yansıyan dalgaları alacaktır. Girişimin sonucu, kalınlıktaki değişikliklerle birlikte yavaş yavaş değişen bu ve diğer dalgaların fazlarındaki farkla belirlenir.

Düzlem paralel bir plaka paralel bir ışınla aydınlatıldığında, ön ve arka yüzeylerinden yansıyan ışık dalgalarının faz farkı tüm noktalarda aynıdır; plaka eşit şekilde aydınlatılmış görünecektir.

Hafif dışbükey bir camın düz bir camla temas noktası çevresinde, tek renkli ışıkla aydınlatıldığında, Newton halkaları adı verilen koyu ve açık halkalar gözlenir. Burada, her iki cam arasındaki en ince hava tabakası, eşmerkezli daireler boyunca sabit bir kalınlığa sahip olan yansıtıcı bir film rolünü oynar.

Işığın kırınımı.

Bir ışık dalgası homojen bir ortamda yayılırken ön tarafın geometrik şeklini değiştirmez. Bununla birlikte, eğer ışık, örneğin opak ekranların, kırılma indisinde nispeten keskin bir değişime sahip uzay alanlarının, vb. bulunduğu homojen olmayan bir ortamda yayılırsa, o zaman dalga cephesinde bir bozulma gözlenir. Bu durumda uzayda ışık dalgasının yoğunluğunun yeniden dağılımı meydana gelir. Örneğin, gölgenin sınırında bir nokta ışık kaynağına sahip opak ekranları aydınlatırken, geometrik optik yasalarına göre gölgeden ışığa ani bir geçiş olması gereken yerde, bir dizi koyu ve açık şerit vardır. Işığın bir kısmı geometrik gölge bölgesine nüfuz eder. Bu olaylar ışığın kırınımıyla ilgilidir.

Yani dar anlamda ışığın kırınımı, ışığın opak cisimlerin konturu etrafında bükülmesi ve ışığın geometrik bir gölge bölgesine girmesi olgusudur; geniş anlamda, ışığın yayılmasında geometrik optik yasalarından herhangi bir sapma.

Sommerfeld'in tanımı: Işığın kırınımı, ışık ışınlarının sürekli değişen kırılma indisine sahip bir ortamda yansıması, kırılması veya bükülmesi sonucu açıklanamıyorsa, doğrusal yayılımdan herhangi bir sapma olarak anlaşılır.

Ortam çok küçük parçacıklar (sis) içeriyorsa veya kırılma indisi, dalga boyu düzeyindeki mesafelerde gözle görülür şekilde değişiyorsa, bu durumlarda ışık saçılımından bahsederiz ve "kırınım" terimi kullanılmaz.

İki tür ışık kırınımı vardır. Bir engelden sonlu uzaklıkta bulunan bir gözlem noktasındaki kırınım desenini inceleyerek Fresnel kırınımıyla ilgileniyoruz. Gözlem noktası ve ışık kaynağı engelden, engele gelen ışınlar ve gözlem noktasına giden ışınlar paralel ışınlar olarak kabul edilebilecek kadar uzakta bulunuyorsa, paralel ışınlarda kırınımdan - Fraunhofer kırınımından bahsederiz.

Kırınım teorisi, dalga yayılma yolunda herhangi bir engelin olduğu durumlarda dalga süreçlerini dikkate alır.

Kırınım teorisini kullanarak, akustik ekranlar kullanılarak gürültüden korunma, radyo dalgalarının Dünya yüzeyi üzerinde yayılması, optik aletlerin çalışması (mercek tarafından verilen görüntü her zaman bir kırınım deseni olduğundan), yüzey kalite ölçümleri gibi problemler, maddenin yapısının incelenmesi ve daha birçokları çözüldü.

Işığın polarizasyonu

Işığın dalga doğasını kanıtlamaya yarayan girişim ve kırınım olgusu henüz ışık dalgalarının doğasının tam bir resmini sunmuyor. Işığın kristallerden, özellikle de turmalinden geçmesi deneyimiyle yeni özellikler bize açıklanıyor.

Dikdörtgenin kenarlarından biri kristalin içinde optik eksen adı verilen belirli bir yöne denk gelecek şekilde kesilmiş iki özdeş dikdörtgen turmalin plakayı alalım. Eksenleri aynı yönde olacak şekilde bir plakayı diğerinin üzerine koyalım ve katlanmış plaka çiftinin içinden bir fenerden veya güneşten gelen dar bir ışık huzmesini geçirelim. Turmalin kahverengi-yeşil bir kristal olduğundan, iletilen ışının izi ekranda koyu yeşil bir benek olarak görünecektir. Plakalardan birini kirişin etrafında döndürmeye başlayalım, ikincisini hareketsiz bırakalım. Işının izinin zayıfladığını ve plaka 90 0 döndürüldüğünde tamamen kaybolduğunu göreceğiz. Plakanın daha fazla dönmesiyle, geçen ışın yeniden yoğunlaşmaya başlayacak ve plaka 180° döndüğünde önceki yoğunluğuna ulaşacaktır; plakaların optik eksenleri tekrar paralel olduğunda. Turmalinin daha fazla dönmesiyle ışın tekrar zayıflar.

Aşağıdaki sonuçların çıkarılması durumunda gözlemlenen tüm olaylar açıklanabilir.

1) Işındaki ışık titreşimleri, ışığın yayılma çizgisine dik olarak yönlendirilir (ışık dalgaları eninedir).

2) Turmalin, ışık titreşimlerini ancak kendi eksenine göre belirli bir şekilde yönlendirildiklerinde iletebilir.

3) Bir fenerin (güneş) ışığında, herhangi bir yöndeki enine titreşimler sunulur ve üstelik aynı orandadır, böylece hiçbir yön baskın değildir.