Duality Wave-Particle: Adakah Satu Zarah Elektron A Atau Gelombang?

Anonim

Cahaya dianggap gelombang melayang melalui ruang seumpama, seperti riak di kolam, sehingga tahun 1905, ketika Einstein menunjukkan bahawa ia juga berperilaku seperti zarah. Ini adalah wahyu yang mengejutkan. Einstein akhirnya menyelesaikan masalah fizik yang ingin tahu tentang bagaimana insiden cahaya pada logam akan mengetuk elektron keluar dari permukaannya. Dia menyedari bahawa ini hanya mungkin jika cahaya tidak bertindak seperti gelombang, tetapi seperti batu tegar atau paket foton yang diskret, seperti yang dipanggilnya. Zarah cahaya akan mengetuk elektron dengan cara yang sama bahawa bola kiu mengetuk 8-ball. Walaupun menggambarkan sesuatu sebagai mind-boggling sebagai perjalanan masa, Einstein memenangi Hadiah Nobel untuk penemuan ini - untuk menjelaskan kesan fotoelektrik.

Kehidupan dua cahaya telah membingungkan fizik sejak Einstein membuat penemuannya. (Foto Kredit: Peksel)

Dengan penemuan ini, Einstein mencetuskan apa yang kini dikenali sebagai Duality Wave-Particle. Cahaya membawa kehidupan dwi - ia wujud sebagai gelombang apabila cahaya lilin mengalir di sekitar objek yang menghalang laluannya, tetapi ia juga wujud sebagai zarah apabila dipecat dari muncung LASER. Walau bagaimanapun, adakah ia hanya cahaya yang dikurniakan dengan keperibadian ini? Mengapa sifat menggalakkan simetri seperti itu? Atau, adakah perkara juga wujud dalam riak? Ini adalah soalan-soalan yang dibangkitkan oleh Louis de Broglie dalam Ph.D. tesis pada tahun 1924. Apa yang dia buat? Ya, perkara juga berlaku seperti gelombang.

Eksperimen Slit Double

Davisson dan Garner melakukan percubaan mercu tanda yang menunjukkan bahawa apabila elektron dipecat ke arah dua celah, corak yang dijana pada skrin pendarfluor yang diletakkan di hadapan mereka mereplikasi corak gangguan. Corak gangguan adalah untuk gelombang apa yang sejuk kepada ais. Corak gangguan adalah pada asasnya identiti gelombang. Apabila cahaya monokromatik (cahaya dari satu gelombang panjang) melewati dua celah, beberapa gelombang menggabungkan, sementara yang lain membatalkan satu sama lain untuk membentuk corak alternatif panjang cahaya dan gelap pada skrin di hadapan.

(Photo Credit: NekoJaNekoJa ~ commonswiki / Wikimedia Commons)

Walau bagaimanapun, jika anda menghantar beberapa bola tenis melalui dua slits, setiap bola tenis hanya akan melalui salah satu daripada mereka, dengan itu membentuk pada skrin hanya dua kumpulan bola tenis. Ini adalah apa yang anda jangkakan secara intuitif dari zarah, seperti, baik, elektron. Walau bagaimanapun, ini tidak berlaku. Davisson dan Garner menunjukkan bahawa apabila anda menghantar elektron melalui kedua-dua celah, mereka menerangi skrin dengan bukan hanya dua, tetapi pola penggantian cahaya dan gelap elektron yang panjang!

Hipotesis Louis De Broglie

Dia tiba di hubungan ini dengan menyamakan tenaga dua sistem asimetri yang dia percaya sebenarnya adalah simetri: pc tenaga cahaya dan tenaga diskret foton hf tunggal . Sekarang, c = f λ, yang memberikan hubungan: p λ = h atau λ = h / p.

Sekarang, kerana hipotesis itu benar untuk elektron, ia juga benar untuk apa yang dikarang elektron - yang pada dasarnya semuanya. Mari kita pertimbangkan bola keranjang oren. Sebab bola keranjang tidak goyah dan mengalir di sekitar objek adalah panjang gelombang yang dikaitkan dengannya adalah sangat kecil. Palam nilai-nilai dan lihat sendiri. Tidak kira betapa besarnya atau berapa pantas ia bergerak, ia tidak dapat melebihi kuantiti dalam pengangka. Panjang gelombang satu langkah bola keranjang dalam skala

meter.

Pengiraan panjang gelombang de Broglie yang berkaitan dengan bola keranjang 1kg.

Eksperimen celah ganda hanya boleh dilakukan jika panjang gelombang gelombang adalah setanding dengan lebar celah. Sekiranya anda meniru hasil Davisson dan Garner pada bola keranjang, anda memerlukan slits yang lebar meter. Teknologi semasa tidak membenarkan ini. Bagaimanapun, satu panjang gelombang elektron mengukur pada skala meter. Ini disebabkan oleh massa elektron dan halaju pantas. Perkembangan celah lebar ini dibenarkan oleh teknologi semasa.

Pada asasnya, bola keranjang mempunyai panjang gelombang, tetapi terlalu kecil untuk dilihat. Bukan sekadar bola keranjang, tetapi juga anda, saya dan segalanya di seluruh alam semesta mempamerkan duality gelombang-zarah. Alam semulajadi adalah simetri.

Misteri Itu Mekanik Kuantum

Penemuan mereka secara terang-terangan menafikan persepsi kita terhadap ketegaran. Baiklah, saya akan melepaskan pandangan saya, tetapi bagaimana saya perlu membayangkan riak elektron? Percanggahan ini, ketidakmampuan untuk memahami gelombang elektron dalam rasa gelombang tradisional, menimbulkan masalah kepada kita. Nasib baik, seseorang boleh mencari rehat (atau kecemasan) dalam fakta bahawa gelombang ini bukanlah riak tradisional yang kita dapati di dalam kolam, tetapi gelombang 'probabilistik'. Walaupun seseorang boleh mencari batu yang menyebabkan riak, yang sama tidak boleh dikatakan tentang elektron.

Untuk gelombang probabilistik, batu itu tidak boleh diletakkan, kerana lokasinya tidak pasti. Orang tidak boleh menyatakan secara jelas ia 'di sini' atau 'ada'. Apa yang boleh dikatakan adalah bahawa batu itu lebih 'mungkin' dapat dijumpai di sini atau di sana. Dengan cara itu, ia adalah 'di mana-mana', lokasinya 'diedarkan'. Walau bagaimanapun - dan inilah sebabnya saya menambah tanggapan dengan kecemasan - pengertian gelombang probabilistik ini membayangkan bahawa elektron melewati kedua-dua cincin pada masa yang sama!

Apa yang boleh dikatakan adalah bahawa batu itu lebih 'mungkin' dapat dijumpai di sini atau di sana. Dengan cara itu, ia adalah 'di mana-mana', lokasinya 'diedarkan'.

Para ahli fizik tidak henti-henti. Mereka mahu melihat 'pengedaran' ini dengan mata mereka sendiri. Mereka menanam pengesan yang teliti yang akan mengawasi elektron kerana ia melewati celah. Apa yang diperhatikan mereka terpegun. Sekarang mereka memerhatikan setiap dan setiap elektron lulus, imej pada skrin mengandaikan corak zarah atau bola tenis yang diramalkan! Corak yang dihasilkan hanya terdiri daripada dua kumpulan menegak yang penuh dengan elektron. Pada ketika ini, semua orang meletakkan tangannya dalam keadaan tidak berdaya dan mungkin berkata, "Kami sudah mencukupi."

Apa yang berlaku ialah tindakan pemerhatian semata-mata mengubah sifat elektron tidak dapat dipulihkan. Dua konsep menerangkan tingkah laku yang tidak masuk akal ini, dua konsep bahawa budaya bukan saintifik begitu mudah mengenal pasti dengan misteri dunia kuantum: prinsip ketidakpastian Heisenberg dan kucing Schrodinger yang malang.

Menganalisa sifat dua elektron adalah seperti mendengar lagu: apabila anda tidak sabar-sabar untuk menghargai lirik (lokasi), anda kehilangan lagu piano yang indah, gitar lembut dan bongos berkala, lagu-lagu penting (momentum) yang membentuk melodi. Sedangkan, apabila anda bertekad untuk menghargai lagu-lagunya, anda akan kehilangan lirik yang tulus. Kita tidak boleh meminjamkan peranti kita kepada satu aspek; kita mesti mencapai kompromi yang sesuai untuk menghargai muzik secara keseluruhan.

Dalam eksperimen tanpa pengesan yang halus, kita sangat tidak pasti tentang lokasi sebenar elektron dan sangat pasti tentang tenaga dan oleh itu, momentum. Dalam bidang mekanik kuantum, momentum disamakan dengan pengedaran atau panjang gelombang atau gelombang, manakala lokasi disamakan dengan tepat atau zarah. Pengetahuan tentang momentum itu menyebabkan elektron bertindak seperti gelombang. Sedangkan, dalam eksperimen dengan pengesan, kita sangat yakin tentang lokasi elektron dan tidak pasti tentang momentumnya. Tindakan pemerhatian ini memaksa ia berkelakuan seperti zarah. Perubahan sifatnya, seperti yang disebutkan, tidak dapat dipulihkan. Kucing itu sudah mati dan hidup sehingga anda membuka kotak untuk melihatnya sendiri. Seram.

Ringkasnya, bersama-sama, elektron adalah kedua-dua zarah dan gelombang sehingga kita mengukur sama ada ciri-ciri yang menentukan - momentum atau lokasi. Apabila salah satu daripada mereka diukur, sifatnya diputuskan secara kekal.

De Broglie memenangi Hadiah Nobel untuk penemuannya yang mendalam, yang implikasinya kemudiannya menjadi pusat kepada plot fiksyen sains. Di dunia nyata, penemuan de Broglie adalah satu ancaman serius terhadap undang-undang Moore, yang menyatakan bahawa transistor yang diimplan pada substrat semikonduktor mesti dua kali ganda setiap tahun. Pada masa ini, dalam pelbagai nanometer, wayar akhirnya akan menjadi setanding dengan saiz elektron, yang membolehkan kesan kuantum intrinsik berantakan dengan operasi mereka. Jurutera tertanya-tanya betapa kecilnya kabel mesti sebelum elektron mengalir di sekitar radas seperti yang mereka lakukan di sekelilingnya.

Walau bagaimanapun, sifat gelombang elektron juga membuka jalan bagi perkembangan mikroskop elektron. Mikroskop ini tidak menerangi sampel dengan cahaya, melainkan elektron. Gelombang elektron kemudian dibesar oleh magnet yang kuat, sama seperti gelombang cahaya diperbesar oleh kanta. Mereka boleh mencapai pembesaran sehingga 10, 000, 000 kali. Ini telah membolehkan ahli mikrobiologi dan ahli kimia mengkaji molekul dalam terperinci yang menakjubkan. Sekali lagi, penafsiran tradisional kita gelombang tidak dapat dilupakan, namun sebagai Neil deGrasse Tyson mendakwa: "Alam semesta tidak berkewajiban untuk masuk akal kepada anda."