Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм? Це характеристика фотонів та інших субатомних частинок, які ведуть себе при одних умовах як хвилі, а при інших - як частинки. Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовин і світла є важливою частиною квантової механіки, оскільки з його допомогою найкраще демонструється той факт, що таких понять, як «хвилі» і «частинки», які прекрасно працюють в класичній механіці, недостатньо для пояснення поведінки деяких квантових об'єктів. Двоїстий характер світла отримав визнання у фізиці після 1905 року, коли Альберт Ейнштейн описав поведінку світла за допомогою фотонів, які були описані як частинки. Потім Ейнштейн опублікував менш знамениту спеціальну теорію відносності, в якій світло, був описаний поведінкою хвиль.

Частинки, проявляють подвійне поведінка

Найкраще принцип корпускулярно-хвильового дуалізму спостерігається в поведінці фотонів. Це найбільш легкі і дрібні об'єкти, проявляють подвійне поведінку. Серед більш великих об'єктів, таких як елементарні частки, атоми і навіть молекули, теж можна спостерігати елементи корпускулярно-хвильового дуалізму, однак більш великі об'єкти поводять себе як хвилі надзвичайно короткої довжини, тому за ними дуже важко спостерігати. Зазвичай для опису поведінки більш великих або макроскопічних частинок цілком достатньо понять, які використовуються в класичній механіці.

Докази корпускулярно-хвильового дуалізму

Люди протягом багатьох століть і навіть тисячоліть замислювалися над природою світла і речовини. До порівняно недавнього часу фізики вважали, що характеристики світла і речовини повинні бути однозначними: світло може бути або потоком частинок, або хвилею, так само як і речовина, або складається з окремих частинок, повністю підкоряються законів ньютонівської механіки, або є суцільний, нероздільної середовищем. Спочатку в Новий час була популярна теорія про поведінку світла як потоку окремих частинок, тобто корпускулярна теорія. Її дотримувався сам Ньютон. Однак більш пізні фізики, такі як Гюйгенс, Френель і Максвелл, прийшли до висновку, що світло є хвилею. Поведінка світла вони пояснювали коливанням електромагнітного поля, а взаємодія світла і речовини в цьому випадку підпадало під пояснення класичної теорії поля. Проте на початку ХХ століття фізики зіткнулися з тим, що ні перше, ні друге пояснення не можуть повністю покрити область поведінки світла при різних умовах і взаємодіях. З тих пір численні експерименти довели дуалізм поведінки деяких частинок. Однак особливий вплив на появу і прийняття корпускулярно-хвильового дуалізму властивості квантових об'єктів надали перші, самі ранні експерименти, які поставили крапку в суперечках про природу поведінки світла.

Фотоефект: світло складається з частинок

Фотоефект, який також називається фотоелектричним ефектом, являє собою процес взаємодії світла (або будь-якого іншого електромагнітного випромінювання) з матерією, у результаті якого енергія частинок світла передається часткам матерії. Під час вивчення фотоефекту поведінка фотоелектронів не могло бути пояснене класичної електромагнітної теорією. Генріх Герц ще в 1887 році зазначив, що напрямок ультрафіолетового світла на електроди збільшило їх здатність створювати електричні іскри. Ейнштейн у 1905 році пояснив фотоефект тим, що світло поглинається і випромінюється певними квантовими порціями, які він спочатку назвав квантами світла, а потім охрестив їх фотонами. Експеримент Роберта Міллікена, проведений в 1921 році, підтвердив судження Ейнштейна і привів до того, що останній отримав Нобелівську премію за відкриття фотоефекту, а сам Міллікен отримав Нобелівську премію в 1923 році за роботу над елементарними частинками і вивчення фотоефекту.

Досвід Дэвиссона - Джермера: світло є хвилею

Досвід Дэвиссона - Джермера підтвердив гіпотезу де Бройля про корпускулярно-хвильовому дуалізм світла і послужив базою для формулювання законів квантової механіки.
Обидва фізика вивчали відбиття електронів від монокристала нікелю. Установка, що знаходиться у вакуумі, складалася з сошлифованного під певним кутом монокристала нікелю. Прямо перпендикулярно площині зрізу прямував пучок монохроматичних електронів. Досліди показали, що в результаті відображення електрони розсіюються дуже селективно, тобто у всіх відбитих променях, незалежно від швидкостей і кутів, спостерігаються максимуми і мінімуми інтенсивності. Таким чином, Дэвиссон і Джермер експериментально підтвердили наявність у хвильових властивостей частинок. У 1948 році радянський фізик В. А. Фабрикант експериментально підтвердив, що хвильові функції притаманні не тільки потоку електронів, але і кожному електрону в окремо.

Досвід Юнга з двома щілинами

Практичний експеримент Томаса Юнга з двома щілинами є демонстрацією того, що і світло, і матерія можуть проявляти характеристики як хвиль, так і часток. Експеримент Юнга практично демонструє природу корпускулярно-хвильового дуалізму, незважаючи на те, що був вперше проведений на початку XIX століття, ще до появи теорії дуалізму. Суть експерименту полягає в наступному: джерело світла (наприклад, лазерний промінь) спрямований на пластину, де є дві паралельні щілини. Світло, що проходить через щілини, що відображається на екрані позаду пластини.
Хвильова природа світла змушує світлові хвилі, що проходять через щілини, змішуватися, виробляючи світлі і темні смуги на екрані, чого не сталося б, якби світло вів себе виключно як частинки. Однак екран поглинає і відбиває світло, а фотоефект – доказ корпускулярної природи світла.

Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії?

Питанням, чи може матерія вести себе так само дуально, як і світло, зайнявся де Бройль. Йому належить смілива гіпотеза про те, що при певних умовах і в залежності від експерименту не тільки фотони, але і електрони можуть демонструвати корпускулярно-хвильовий дуалізм. Бройль розвинув свою ідею про хвилі ймовірності не тільки фотонів світла, але і макрочасток в 1924 році. Коли гіпотеза була доведена за допомогою експерименту Дэвиссона - Джермера і повторення досвіду Юнга з двома щілинами (з електронами замість фотонів), де Бройль отримав Нобелівську премію (1929 рік). Виявляється, матерія теж може вести себе як класична хвиля при правильних обставин. Звичайно, великі об'єкти, які створюють настільки короткі хвилі, що безглуздо їх спостерігати, однак більш дрібні об'єкти, такі як атоми або навіть молекули, демонструють помітну довжину хвилі, що дуже важливо для квантової механіки, яка практично побудована на хвильових функціях.

Значення корпускулярно-хвильового дуалізму

Головне значення концепції корпускулярно-хвильового дуалізму полягає в тому, що поведінка електромагнітних випромінювань і матерії можна описати за допомогою диференціального рівняння, яке являє хвильову функцію. Зазвичай це рівняння Шредінгера. Можливість описати дійсність за допомогою хвильових функцій лежить в основі квантової механіки. Найбільш частий відповідь на питання про те, що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм, полягає в тому, що хвильова функція представляє ймовірність знаходження певної частки в певному місці. Іншими словами, ймовірність частинки опинитися в передбаченому місці робить її хвилею, а її фізичний вигляд і форма хвилею не є.

Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм?

У той час як математика, нехай і вкрай складним способом, робить точні прогнози на основі диференціальних рівнянь, значення цих рівнянь квантової фізики набагато більш складно зрозуміти і пояснити. Спроба пояснити, що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм, донині лежить в центрі дебатів квантової фізики. Практичне значення корпускулярно-хвильового дуалізму полягає також у тому, що будь-який фізик повинен навчитися сприймати реальність дуже цікавим способом, коли думати практично про будь-якому об'єкті звичним способом вже недостатньо для адекватного сприйняття реальності.