Wave Particle Duality og hvordan det fungerer

Wave-partikel dualitetsprincippet om kvantefysik fastholder, at stof og lys udviser opførsel af både bølger og partikler afhængigt af eksperimentets omstændigheder. Det er et komplekst emne, men blandt de mest spændende i fysik.

I 1600'erne var Christiaan Huygens og Isaac Newton foreslået konkurrerende teorier for lysets opførsel. Huygens foreslog en bølgeteori om lys, mens Newtons var en "corpuskulær" (partikel) lysteori. Huygens teori havde nogle problemer med at matche observation og Newtons prestige hjalp med at yde støtte til hans teori, så i over et århundrede var Newtons teori dominerende.

I begyndelsen af ​​det 19. århundrede opstod der komplikationer for den corpuskulære teori om lys. diffraktion var blevet observeret for en ting, som det havde svært ved at forklare tilstrækkeligt. Thomas Youngs dobbeltslidseksperiment resulterede i åbenlyst bølgedfærd og syntes at støtte fast bølgeteorien over lys over Newtons partikelteori.

En bølge skal generelt propagere gennem et medium af en eller anden art. Det medium, der blev foreslået af Huygens, havde været

Problemet med bølgeteorien var, at der aldrig før var fundet en sådan ether. Ikke kun det, men astronomiske iagttagelser i stjernernes afvigelse af James Bradley i 1720 havde antydet, at ether skulle være stationær i forhold til en bevægelig jord. Gennem 1800-tallet blev der forsøgt at opdage ether eller dens bevægelse direkte, hvilket kulminerede med den berømte Michelson-Morley eksperiment. De kunne ikke alle opdage ether, hvilket resulterede i en enorm debat, da det tyvende århundrede begyndte. Var lys en bølge eller en partikel?

I 1905 Albert Einstein offentliggjorde sin artikel for at forklare fotoelektrisk effekt, der foreslog, at lys rejste som diskrete energibunder. Energien indeholdt i en foton var relateret til lysets hyppighed. Denne teori blev kendt som fotonteori af lys (selvom ordet foton ikke blev opfundet før år senere).

Med fotoner var eteren ikke længere væsentlig som et middel til udbredelse, skønt den stadig efterlod det underlige paradoks af, hvorfor bølgemæssig adfærd blev observeret. Endnu mere ejendommelige var kvantevariationerne i eksperimentet med dobbelt spalte og Compton-effekt hvilket syntes at bekræfte partikelfortolkningen.

Idet der blev udført eksperimenter og akkumuleret bevis, blev implikationerne hurtigt klare og alarmerende:

Lys fungerer både som en partikel og en bølge, afhængigt af hvordan eksperimentet udføres, og hvornår der foretages observationer.

Spørgsmålet om, hvorvidt en sådan dualitet også dukkede op i sagen, blev taklet af det dristige de Broglie hypotese, der udvidede Einsteins arbejde for at relatere den observerede bølgelængde af stof til dens momentum. Eksperimenter bekræftede hypotesen i 1927, hvilket resulterede i en Nobelpris fra 1929 for de Broglie.

Ligesom lys så det ud til, at stof udviste både bølge- og partikelegenskaber under de rigtige omstændigheder. Naturligvis udviser massive genstande meget små bølgelængder, så små i virkeligheden, at det er temmelig meningsløst at tænke på dem på en bølgemode. Men for små genstande kan bølgelængden være observerbar og signifikant, som det bekræftes af dobbeltslidseksperimentet med elektroner.

Den største betydning af bølge-partikeldualiteten er, at al opførsel af lys og stof kan være forklaret ved hjælp af en differentialligning, der repræsenterer en bølgefunktion, generelt i formen af Schrodinger ligning. Denne evne til at beskrive virkeligheden i form af bølger er kernen i kvantemekanikken.

Den mest almindelige fortolkning er, at bølgefunktionen repræsenterer sandsynligheden for at finde en given partikel på et givet punkt. Disse sandsynlighedsligninger kan diffrahere, forstyrre og udvise andre bølgelignende egenskaber, hvilket resulterer i en endelig sandsynlighedsbølgefunktion, der også udviser disse egenskaber. Partikler ender med at blive distribueret i henhold til sandsynlighedslovene og udstiller derfor bølgeegenskaber. Med andre ord er sandsynligheden for, at en partikel er på et hvilket som helst sted, en bølge, men den faktiske fysiske udseende af denne partikel er ikke.

Mens matematikken, selvom den er kompliceret, giver præcise forudsigelser, er den fysiske betydning af disse ligninger meget sværere at forstå. Forsøget på at forklare, hvad bølgefartikeldualiteten "faktisk betyder" er et centralt debatpunkt i kvantefysikken. Der findes mange fortolkninger for at forsøge at forklare dette, men de er alle bundet af det samme sæt bølgeforligninger... og til sidst skal forklare de samme eksperimentelle observationer.

Redigeret af Anne Marie Helmenstine, ph.d.