Đối ngẫu sóng-hạt là gì? Đó là đặc điểm của các photon và các hạt hạ nguyên tử khác hoạt động giống như sóng trong một số điều kiện và giống như các hạt trong các điều kiện khác.
Tính hai mặt sóng-hạt của vật chất và ánh sáng là một phần quan trọng của cơ học lượng tử, bởi vì nó chứng minh rõ nhất thực tế là các khái niệm như "sóng" và "hạt", vốn hoạt động tốt trong cơ học cổ điển, là không đủ để giải thích về hoạt động của một số đối tượng lượng tử.
Bản chất kép của ánh sáng đã được công nhận trong vật lý sau năm 1905, khi Albert Einstein mô tả hành vi của ánh sáng bằng cách sử dụng các photon, được mô tả như các hạt. Sau đó, Einstein công bố thuyết tương đối hẹp ít nổi tiếng hơn, trong đó mô tả ánh sáng là hành vi của sóng.
Hạt thể hiện hành vi kép
Trên tất cả, nguyên lý lưỡng tính sóng-hạtquan sát được trong hoạt động của các photon. Đây là những vật thể nhẹ nhất và nhỏ nhất thể hiện hành vi kép. Trong số các vật thể lớn hơn, chẳng hạn như các hạt cơ bản, nguyên tử và thậm chí cả phân tử, cũng có thể quan sát thấy các phần tử của lưỡng tính sóng-hạt, nhưng các vật thể lớn hơn hoạt động giống như sóng cực ngắn, vì vậy chúng rất khó quan sát. Thông thường, các khái niệm được sử dụng trong cơ học cổ điển là đủ để mô tả hành vi của các hạt lớn hơn hoặc vĩ mô.
Bằng chứng về tính hai mặt sóng-hạt
Mọi người đã suy nghĩ về bản chất của ánh sáng và vật chất trong nhiều thế kỷ và thậm chí hàng thiên niên kỷ. Cho đến tương đối gần đây, các nhà vật lý tin rằng các đặc tính của ánh sáng và vật chất phải rõ ràng: ánh sáng có thể là một dòng hạt hoặc một sóng, giống như vật chất, hoặc bao gồm các hạt riêng lẻ hoàn toàn tuân theo các định luật của cơ học Newton, hoặc là một phương tiện liên tục, không thể tách rời.
Ban đầu, vào thời hiện đại, lý thuyết về hành vi của ánh sáng như một dòng các hạt riêng lẻ, tức là lý thuyết tiểu thể, đã được phổ biến. Chính Newton đã tuân thủ nó. Tuy nhiên, các nhà vật lý sau này như Huygens, Fresnel và Maxwell đã kết luận rằng ánh sáng là sóng. Họ giải thích hành vi của ánh sáng bằng dao động của trường điện từ, và sự tương tác của ánh sáng và vật chất trong trường hợp này thuộc cách giải thích của lý thuyết trường cổ điển.
Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý phải đối mặt với thực tế là cả cách giải thích thứ nhất và thứ hai đều không thểhoàn toàn bao phủ khu vực hành vi ánh sáng trong các điều kiện và tương tác khác nhau.
Kể từ đó, nhiều thí nghiệm đã chứng minh tính hai mặt của hành vi của một số hạt. Tuy nhiên, sự xuất hiện và chấp nhận tính chất lưỡng tính sóng-hạt của các thuộc tính của các đối tượng lượng tử đã bị ảnh hưởng đặc biệt bởi các thí nghiệm đầu tiên, sớm nhất, điều này đã đặt dấu chấm hết cho cuộc tranh luận về bản chất của hành vi của ánh sáng.
Hiệu ứng quang điện: ánh sáng được tạo thành từ các hạt
Hiệu ứng quang điện, còn được gọi là hiệu ứng quang điện, là quá trình tương tác của ánh sáng (hoặc bất kỳ bức xạ điện từ nào khác) với vật chất, do đó năng lượng của các hạt ánh sáng được truyền sang các hạt vật chất. Trong quá trình nghiên cứu hiệu ứng quang điện, không thể giải thích hành vi của quang điện tử bằng lý thuyết điện từ cổ điển.
Heinrich Hertz đã lưu ý trở lại vào năm 1887 rằng chiếu tia cực tím vào các điện cực làm tăng khả năng tạo ra tia lửa điện của chúng. Einstein vào năm 1905 giải thích hiệu ứng quang điện bằng thực tế là ánh sáng được hấp thụ và phát ra bởi một số phần lượng tử nhất định, mà ban đầu ông gọi là lượng tử ánh sáng, sau đó đặt tên cho chúng là photon.
Một thí nghiệm của Robert Milliken vào năm 1921 đã xác nhận phán đoán của Einstein và dẫn đến thực tế là người sau này đã nhận được giải Nobel cho việc phát hiện ra hiệu ứng quang điện, và bản thân Millikan cũng nhận được giải Nobel năm 1923 cho công trình nghiên cứu về các hạt cơ bản và nghiên cứu về hiệu ứng quang điện.
Thí nghiệm của Davisson-Jermer: ánh sáng là sóng
Kinh nghiệm củaDavisson - Germer khẳng địnhGiả thuyết của de Broglie về tính lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng và được dùng làm cơ sở để hình thành các định luật của cơ học lượng tử.
Cả hai nhà vật lý đều nghiên cứu sự phản xạ của các electron từ một đơn tinh thể niken. Thiết lập, nằm trong chân không, bao gồm một mặt đất đơn tinh thể niken ở một góc nhất định. Một chùm êlectron đơn sắc được truyền thẳng vuông góc với mặt phẳng cắt.
Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng do kết quả của phản xạ, các electron bị tán xạ rất có chọn lọc, nghĩa là, trong tất cả các chùm phản xạ, bất kể tốc độ và góc, cường độ cực đại và cực tiểu đều được quan sát thấy. Do đó, Davisson và Germer đã xác nhận bằng thực nghiệm sự hiện diện của các đặc tính sóng trong các hạt.
Năm 1948, nhà vật lý Liên Xô V. A. Fabrikant đã xác nhận bằng thực nghiệm rằng các hàm sóng vốn có không chỉ trong dòng electron, mà còn trong mỗi electron riêng biệt.
Thí nghiệm của Jung với hai khe hở
Thí nghiệm thực tế của Thomas Young với hai khe là một minh chứng rằng cả ánh sáng và vật chất đều có thể thể hiện các đặc tính của cả sóng và hạt.
Thí nghiệm củaJung thực tế chứng minh bản chất của đối ngẫu sóng-hạt, mặc dù thực tế là nó được thực hiện lần đầu tiên vào đầu thế kỷ 19, thậm chí trước khi thuyết nhị nguyên ra đời.
Bản chất của thí nghiệm như sau: một nguồn sáng (ví dụ, một chùm tia laze) được hướng đến một tấm bản có hai khe song song. Ánh sáng đi qua các khe được phản chiếu trên màn hình phía sau tấm.
Bản chất sóng của ánh sáng làm cho sóng ánh sáng truyền qua các khetrộn lẫn, tạo ra các vệt sáng và tối trên màn hình, điều này sẽ không xảy ra nếu ánh sáng hoạt động thuần túy như các hạt. Tuy nhiên, màn hình hấp thụ và phản xạ ánh sáng, và hiệu ứng quang điện là bằng chứng về bản chất phân tử của ánh sáng.
Tính hai mặt sóng-hạt của vật chất là gì?
Câu hỏi liệu vật chất có thể hoạt động theo hai tính chất giống như ánh sáng hay không, de Broglie đã trả lời. Ông sở hữu một giả thuyết táo bạo rằng, trong những điều kiện nhất định và tùy thuộc vào thí nghiệm, không chỉ các photon, mà cả các electron cũng có thể chứng minh tính lưỡng tính sóng-hạt. Broglie đã phát triển ý tưởng của mình về sóng xác suất không chỉ của các photon ánh sáng mà còn của các đại hạt vào năm 1924.
Khi giả thuyết được chứng minh bằng thí nghiệm Davisson-Germer và lặp lại thí nghiệm khe kép của Young (với các electron thay vì photon), de Broglie đã nhận được giải Nobel (1929).
Hóa ra vật chất cũng có thể hoạt động như một làn sóng cổ điển trong những trường hợp thích hợp. Tất nhiên, các vật thể lớn tạo ra sóng ngắn đến mức không thể quan sát được chúng, nhưng các vật thể nhỏ hơn, chẳng hạn như nguyên tử hoặc thậm chí phân tử, thể hiện một bước sóng đáng chú ý, điều này rất quan trọng đối với cơ học lượng tử, thực tế được xây dựng dựa trên các hàm sóng.
Ý nghĩa của tính đối ngẫu sóng-hạt
Ý nghĩa chính của khái niệm đối ngẫu sóng-hạt là hành vi của bức xạ điện từ và vật chất có thể được mô tả bằng cách sử dụng một phương trình vi phân,đại diện cho hàm sóng. Thông thường đây là phương trình Schrödinger. Khả năng mô tả thực tế bằng cách sử dụng các hàm sóng là trọng tâm của cơ học lượng tử.
Câu trả lời phổ biến nhất cho câu hỏi lưỡng tính sóng-hạt là gì là hàm sóng biểu thị xác suất tìm thấy một hạt nhất định ở một nơi nhất định. Nói cách khác, xác suất một hạt ở vị trí được dự đoán làm cho nó trở thành sóng, nhưng hình dạng và hình dạng vật lý của nó thì không.
Đối ngẫu sóng-hạt là gì?
Trong khi toán học, mặc dù theo một cách cực kỳ phức tạp, đưa ra các dự đoán chính xác dựa trên các phương trình vi phân, thì ý nghĩa của các phương trình này đối với vật lý lượng tử khó hiểu và khó giải thích hơn nhiều. Nỗ lực giải thích đối ngẫu sóng-hạt vẫn là trung tâm của cuộc tranh luận trong vật lý lượng tử.
Ý nghĩa thực tế của tính đối ngẫu sóng-hạt còn nằm ở chỗ, bất kỳ nhà vật lý nào cũng phải học cách nhận thức thực tại một cách rất thú vị, khi việc suy nghĩ về hầu hết mọi đối tượng theo cách thông thường không còn đủ để có nhận thức đầy đủ. của thực tế.
