Mitä on a alto-partikkeli-kaksinaisuus? Se on ominaisuus fotoneille ja muille subatomisille hiukkasille, jotka käyttäytyvät joissain olosuhteissa a altoina ja toisissa kuten hiukkaset.
Aineen ja valon a altopartikkeli-kaksinaisuus on tärkeä osa kvanttimekaniikkaa, koska se osoittaa parhaiten sen tosiasian, että sellaiset käsitteet kuin "aallot" ja "hiukkaset", jotka toimivat hyvin klassisessa mekaniikassa, eivät riitä selityksiä joidenkin kvanttiobjektien käyttäytymisestä.
Valon kaksoisluonne sai tunnustusta fysiikassa vuoden 1905 jälkeen, kun Albert Einstein kuvasi valon käyttäytymistä käyttämällä fotoneja, joita kuvailtiin hiukkasiksi. Sitten Einstein julkaisi vähemmän kuuluisan erikoissuhteellisuusteorian, joka kuvaili valoa a altokäyttäytymisenä.
hiukkaset, jotka käyttäytyvät kaksijakoisesti
Paras kaikista, a alto-hiukkasten kaksinaisuuden periaatehavaitaan fotonien käyttäytymisessä. Nämä ovat kevyimpiä ja pienimpiä esineitä, jotka käyttäytyvät kaksinkertaisesti. Suurempien esineiden, kuten alkuainehiukkasten, atomien ja jopa molekyylien joukossa voidaan havaita myös a alto-hiukkas-kaksoisisuuden elementtejä, mutta suuremmat esineet käyttäytyvät äärimmäisen lyhyinä a altoina, joten niitä on erittäin vaikea havaita. Yleensä klassisen mekaniikan käsitteet riittävät kuvaamaan suurempien tai makroskooppisten hiukkasten käyttäytymistä.
Todiste a alto-hiukkasten kaksinaisuudesta
Ihmiset ovat pohtineet valon ja aineen luonnetta vuosisatojen ja jopa vuosituhansien ajan. Vielä suhteellisen äskettäin fyysikot uskoivat, että valon ja aineen ominaisuuksien on oltava yksiselitteisiä: valo voi olla joko hiukkasten virtaa tai a altoa, aivan kuten aine, joka koostuu joko yksittäisistä hiukkasista, jotka noudattavat täysin Newtonin mekaniikan lakeja tai jatkuva, erottamaton media.
Aluksi, nykyaikana, teoria valon käyttäytymisestä yksittäisten hiukkasten virtana, eli korpuskulaarinen teoria, oli suosittu. Newton itse piti siitä kiinni. Myöhemmät fyysikot, kuten Huygens, Fresnel ja Maxwell, päättelivät kuitenkin, että valo on a alto. He selittivät valon käyttäytymisen sähkömagneettisen kentän värähtelyllä, ja valon ja aineen vuorovaikutus kuului tässä tapauksessa klassisen kenttäteorian selityksen alle.
Kuitenkin 1900-luvun alussa fyysikot kohtasivat sen tosiasian, ettei ensimmäinen eikä toinen selitys voinutkattavat kokonaan valon käyttäytymisen alueen erilaisissa olosuhteissa ja vuorovaikutuksessa.
Sittemmin lukuisat kokeet ovat osoittaneet joidenkin hiukkasten käyttäytymisen kaksinaisuuden. Kuitenkin kvanttiobjektien ominaisuuksien a alto-hiukkasten kaksinaisuuden ilmenemiseen ja hyväksymiseen vaikuttivat erityisesti ensimmäiset, varhaisimmat kokeet, jotka lopettivat keskustelun valon käyttäytymisen luonteesta.
Valosähköinen vaikutus: valo koostuu hiukkasista
Valosähköinen efekti, jota kutsutaan myös valosähköiseksi efektiksi, on valon (tai minkä tahansa muun sähkömagneettisen säteilyn) vuorovaikutusprosessi aineen kanssa, jonka seurauksena valohiukkasten energia siirtyy ainehiukkasiin. Valosähköistä vaikutusta tutkittaessa valoelektronien käyttäytymistä ei voitu selittää klassisella sähkömagneettisella teorialla.
Heinrich Hertz totesi jo vuonna 1887, että ultraviolettivalon loistaminen elektrodeissa lisäsi niiden kykyä luoda sähkökipinöitä. Einstein selitti vuonna 1905 valosähköistä vaikutusta sillä tosiasialla, että tietyt kvanttiosat absorboivat ja säteilevät valoa, joita hän alun perin kutsui valokvanteiksi ja sitten kutsui niitä fotoneiksi.
Robert Millikenin vuonna 1921 tekemä koe vahvisti Einsteinin tuomion ja johti siihen, että jälkimmäinen sai Nobel-palkinnon valosähköisen ilmiön löytämisestä ja Millikan itse sai Nobel-palkinnon vuonna 1923 työstään alkuainehiukkasten parissa. ja valosähköisen vaikutuksen tutkimus.
Davisson-Jermer-kokeilu: valo on a alto
Davissonin kokemus – Germer vahvistide Broglien hypoteesi valon a alto-hiukkasten kaksinaisuudesta ja toimi perustana kvanttimekaniikan lakien muotoilulle.
Molemmat fyysikot tutkivat elektronien heijastusta nikkeliyksikiteestä. Tyhjiössä sijaitseva kokoonpano koostui nikkelistä, joka oli hiottu tietyssä kulmassa. Yksiväristen elektronien säde suunnattiin suoraan kohtisuoraan leikkaustasoon nähden.
Kokeet ovat osoittaneet, että heijastuksen seurauksena elektronit siroavat hyvin selektiivisesti, eli kaikissa heijastuneissa säteissä nopeuksista ja kulmista riippumatta havaitaan intensiteetin maksimi ja minimi. Siten Davisson ja Germer vahvistivat kokeellisesti a altoominaisuuksien esiintymisen hiukkasissa.
Vuonna 1948 Neuvostoliiton fyysikko V. A. Fabrikant vahvisti kokeellisesti, että a altofunktiot ovat luontaisia paitsi elektronien virtauksessa, myös jokaisessa elektronissa erikseen.
Jungin kokeilu kahdella raolla
Thomas Youngin käytännöllinen kokeilu kahdella rakolla on osoitus siitä, että sekä valolla että aineella voi olla sekä a altojen että hiukkasten ominaisuuksia.
Jungin kokeilu osoittaa käytännössä a alto-hiukkasten kaksinaisuuden luonteen huolimatta siitä, että se suoritettiin ensimmäisen kerran 1800-luvun alussa, jopa ennen dualismiteorian syntyä.
Kokeen olemus on seuraava: valonlähde (esimerkiksi lasersäde) suunnataan levylle, jolle tehdään kaksi yhdensuuntaista rakoa. Rakojen läpi kulkeva valo heijastuu levyn takana olevaan näyttöön.
Valon aallon luonne aiheuttaa valoa altoja, jotka kulkevat rakojen läpisekoittaa, tuottaen vaaleita ja tummia raitoja näytölle, mitä ei tapahtuisi, jos valo käyttäytyisi puhtaasti hiukkasten tavoin. Näyttö kuitenkin absorboi ja heijastaa valoa, ja valosähköinen vaikutus on todiste valon korpuskulaarisuudesta.
Mitä on aineen a alto-hiukkanen kaksinaisuus?
De Broglie otti esiin kysymyksen siitä, voiko aine käyttäytyä samassa kaksinaisuudessa kuin valo. Hänellä on rohkea hypoteesi, jonka mukaan tietyissä olosuhteissa ja kokeesta riippuen fotonien lisäksi myös elektronit voivat osoittaa a altohiukkasten kaksinaisuutta. Broglie kehitti ajatuksensa valon fotonien, mutta myös makrohiukkasten, todennäköisyysaalloista vuonna 1924.
Kun hypoteesi todistettiin käyttämällä Davisson-Germer-koetta ja toistamalla Youngin kaksoisrakokoetta (elektroneilla fotonien sijasta), de Broglie sai Nobel-palkinnon (1929).
On käynyt ilmi, että aine voi myös käyttäytyä kuin klassinen a alto oikeissa olosuhteissa. Tietysti suuret esineet luovat niin lyhyitä a altoja, ettei niitä ole mielekästä tarkkailla, mutta pienemmillä esineillä, kuten atomeilla tai jopa molekyyleillä, on havaittavissa oleva aallonpituus, mikä on erittäin tärkeää kvanttimekaniikassa, joka käytännössä rakentuu a altofunktioille.
A alto-hiukkasten kaksinaisuuden merkitys
A alto-hiukkasten kaksinaisuuden käsitteen päätarkoitus on, että sähkömagneettisen säteilyn ja aineen käyttäytymistä voidaan kuvata differentiaaliyhtälön avulla,joka edustaa a altofunktiota. Yleensä tämä on Schrödingerin yhtälö. Kyky kuvata todellisuutta a altofunktioiden avulla on kvanttimekaniikan ydin.
Yleisin vastaus kysymykseen a alto-hiukkasten kaksinaisuudesta on, että a altofunktio edustaa todennäköisyyttä löytää tietty hiukkanen tietystä paikasta. Toisin sanoen todennäköisyys, että hiukkanen on ennustetussa paikassa, tekee siitä aallon, mutta sen fyysinen ulkonäkö ja muoto eivät ole.
Mitä on a alto-hiukkasten kaksinaisuus?
Vaikka matematiikka, vaikkakin äärimmäisen monimutkaisella tavalla, tekee tarkkoja ennusteita differentiaaliyhtälöiden perusteella, näiden yhtälöiden merkitystä kvanttifysiikassa on paljon vaikeampi ymmärtää ja selittää. Yritys selittää, mitä a alto-hiukkasten kaksinaisuus on, on edelleen kvanttifysiikan keskustelun keskipisteessä.
A alto-hiukkaskaksinaisuuden käytännön merkitys piilee myös siinä, että jokaisen fyysikon on opittava havaitsemaan todellisuus erittäin mielenkiintoisella tavalla, kun lähes minkä tahansa kohteen ajatteleminen tavanomaisella tavalla ei enää riitä riittävään havaintoon todellisuudesta.
