ما هي ثنائية الموجة والجسيم؟ إنها إحدى سمات الفوتونات والجسيمات دون الذرية الأخرى التي تتصرف مثل الموجات في ظل بعض الظروف وتشبه الجسيمات تحت ظروف أخرى.
ازدواجية المادة والضوء هي جزء مهم من ميكانيكا الكم ، لأنها توضح حقيقة أن مفاهيم مثل "الموجات" و "الجسيمات" ، التي تعمل بشكل جيد في الميكانيكا الكلاسيكية ، ليست كافية تفسيرات لسلوك بعض الأجسام الكمومية
اكتسبت الطبيعة المزدوجة للضوء اعترافًا في الفيزياء بعد عام 1905 ، عندما وصف ألبرت أينشتاين سلوك الضوء باستخدام الفوتونات ، والتي وصفت بأنها جسيمات. ثم نشر أينشتاين النسبية الخاصة الأقل شهرة ، والتي وصفت الضوء بأنه سلوك موجي.
الجسيمات تظهر سلوكًا مزدوجًا
أفضل للجميع ، مبدأ ازدواجية موجة-جسيملوحظ في سلوك الفوتونات. هذه هي أخف وأصغر الأشياء التي تظهر سلوكًا مزدوجًا. من بين الأجسام الأكبر ، مثل الجسيمات الأولية والذرات وحتى الجزيئات ، يمكن أيضًا ملاحظة عناصر ازدواجية الموجة والجسيم ، لكن الأجسام الأكبر تتصرف مثل الموجات القصيرة للغاية ، لذلك من الصعب جدًا ملاحظتها. عادة ، المفاهيم المستخدمة في الميكانيكا الكلاسيكية كافية لوصف سلوك الجسيمات الأكبر أو العيانية.
دليل على ازدواجية موجة-جسيم
كان الناس يفكرون في طبيعة الضوء والمادة لعدة قرون وحتى آلاف السنين. حتى وقت قريب نسبيًا ، اعتقد الفيزيائيون أن خصائص الضوء والمادة يجب أن تكون واضحة: يمكن أن يكون الضوء إما تيارًا من الجسيمات أو موجة ، تمامًا مثل المادة ، إما يتكون من جسيمات فردية تخضع تمامًا لقوانين ميكانيكا نيوتن ، أو وسط مستمر لا ينفصل.
في البداية ، في العصر الحديث ، كانت النظرية حول سلوك الضوء كتيار من الجسيمات الفردية ، أي نظرية الجسيمات ، شائعة. نيوتن نفسه التزم بها. ومع ذلك ، استنتج الفيزيائيون اللاحقون مثل Huygens و Fresnel و Maxwell أن الضوء عبارة عن موجة. لقد شرحوا سلوك الضوء من خلال تذبذب المجال الكهرومغناطيسي ، وتفاعل الضوء والمادة في هذه الحالة يندرج تحت تفسير نظرية المجال الكلاسيكي.
ومع ذلك ، في بداية القرن العشرين ، واجه الفيزيائيون حقيقة أنه لا التفسير الأول ولا الثانيتغطية منطقة سلوك الضوء بالكامل تحت مختلف الظروف والتفاعلات.
منذ ذلك الحين ، أثبتت تجارب عديدة ازدواجية سلوك بعض الجسيمات. ومع ذلك ، فإن ظهور وقبول ازدواجية الموجة والجسيم لخصائص الأجسام الكمومية قد تأثرت بشكل خاص بالتجارب الأولى والأولى ، والتي وضعت حداً للجدل حول طبيعة سلوك الضوء.
التأثير الكهروضوئي: يتكون الضوء من جزيئات
التأثير الكهروضوئي ، الذي يُطلق عليه أيضًا التأثير الكهروضوئي ، هو عملية تفاعل الضوء (أو أي إشعاع كهرومغناطيسي آخر) مع المادة ، ونتيجة لذلك تنتقل طاقة جسيمات الضوء إلى جزيئات المادة. أثناء دراسة التأثير الكهروضوئي ، لا يمكن تفسير سلوك الإلكترونات الضوئية بالنظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية.
لاحظ هاينريش هيرتز في عام 1887 أن تسليط الضوء فوق البنفسجي على الأقطاب الكهربائية زاد من قدرتها على تكوين شرارات كهربائية. شرح أينشتاين في عام 1905 التأثير الكهروضوئي من خلال حقيقة أن الضوء يمتص وينبعث من أجزاء كمومية معينة ، والتي أطلق عليها في البداية كوانتا الضوء ، ثم أطلق عليها اسم الفوتونات.
أكدت تجربة قام بها روبرت ميليكين في عام 1921 حكم أينشتاين وأدت إلى حقيقة أن الأخير حصل على جائزة نوبل لاكتشاف التأثير الكهروضوئي ، وحصل ميليكان نفسه على جائزة نوبل في عام 1923 لعمله على الجسيمات الأولية ودراسة التأثير الكهروضوئي
تجربة دافيسون جيرمر: الضوء عبارة عن موجة
تجربة دافيسون - أكد جيرمركانت فرضية دي برولي حول ازدواجية الضوء الموجة والجسيمية بمثابة الأساس لصياغة قوانين ميكانيكا الكم.
درس كلا الفيزيائيين انعكاس الإلكترونات من بلورة نيكل أحادية. يتكون الإعداد ، الموجود في الفراغ ، من أرضية بلورية أحادية من النيكل بزاوية معينة. تم توجيه حزمة من الإلكترونات أحادية اللون بشكل عمودي على المستوى المقطوع.
أظهرت التجارب أنه نتيجة للانعكاس ، تنتشر الإلكترونات بشكل انتقائي للغاية ، أي في جميع الحزم المنعكسة ، بغض النظر عن السرعات والزوايا ، يتم ملاحظة الحد الأقصى والحد الأدنى من الشدة. وهكذا ، أكد دافيسون وجيرمر تجريبياً وجود خصائص الموجة في الجسيمات.
في عام 1948 ، أكد الفيزيائي السوفيتي في.أ.فابريكانت تجريبيًا أن وظائف الموجة متأصلة ليس فقط في تدفق الإلكترونات ، ولكن أيضًا في كل إلكترون على حدة.
تجربة جونغ مع شقين
تجربة توماس يونغ العملية مع شقين هي دليل على أن كلاً من الضوء والمادة يمكن أن يظهروا خصائص كل من الموجات والجسيمات.
تجربة Jung توضح عمليًا طبيعة ازدواجية الموجة والجسيم ، على الرغم من حقيقة أنها تم تنفيذها لأول مرة في بداية القرن التاسع عشر ، حتى قبل ظهور نظرية الثنائية.
جوهر التجربة هو كما يلي: يتم توجيه مصدر الضوء (على سبيل المثال ، شعاع الليزر) إلى لوحة حيث يتم عمل فتحتين متوازيتين. الضوء المار عبر الشقوق ينعكس على الشاشة خلف اللوحة
الطبيعة الموجية للضوء تسبب موجات الضوء التي تمر عبر الشقوقمختلط ، مما ينتج عنه خطوط فاتحة وداكنة على الشاشة ، وهو ما لن يحدث إذا كان الضوء يتصرف مثل الجسيمات تمامًا. ومع ذلك ، تمتص الشاشة الضوء وتعكسه ، والتأثير الكهروضوئي هو دليل على الطبيعة الجسدية للضوء.
ما هي ثنائية الموجة والجسيم للمادة؟
تناول دي برولي مسألة ما إذا كان يمكن للمادة أن تتصرف في نفس ازدواجية الضوء. لديه فرضية جريئة أنه في ظل ظروف معينة واعتمادًا على التجربة ، لا يمكن للفوتونات فحسب ، بل الإلكترونات أيضًا إثبات ازدواجية الموجة والجسيم. طور Broglie فكرته عن الموجات الاحتمالية ليس فقط لفوتونات الضوء ، ولكن أيضًا للجسيمات الكبيرة في عام 1924.
عندما تم إثبات الفرضية باستخدام تجربة Davisson-Germer وتكرار تجربة Young ذات الشق المزدوج (باستخدام الإلكترونات بدلاً من الفوتونات) ، حصل De Broglie على جائزة نوبل (1929).
اتضح أن المادة يمكن أن تتصرف أيضًا مثل الموجة الكلاسيكية في ظل الظروف المناسبة. بالطبع ، تخلق الأجسام الكبيرة موجات قصيرة جدًا بحيث لا معنى لمشاهدتها ، لكن الأجسام الأصغر ، مثل الذرات أو حتى الجزيئات ، تُظهر طولًا موجيًا ملحوظًا ، وهو أمر مهم جدًا لميكانيكا الكم ، والتي تُبنى عمليًا على وظائف الموجة.
معنى ازدواجية موجة-جسيم
المعنى الرئيسي لمفهوم ازدواجية الموجة والجسيم هو أنه يمكن وصف سلوك الإشعاع الكهرومغناطيسي والمادة باستخدام معادلة تفاضلية ،الذي يمثل الدالة الموجية. عادة ما تكون هذه معادلة شرودنغر. القدرة على وصف الواقع باستخدام الدوال الموجية هي في صميم ميكانيكا الكم.
الإجابة الأكثر شيوعًا على سؤال ماهية ازدواجية الموجة والجسيم هي أن الدالة الموجية تمثل احتمال العثور على جسيم معين في مكان معين. بمعنى آخر ، فإن احتمال وجود الجسيم في موقع متوقع يجعله موجة ، لكن مظهره المادي وشكله ليسا كذلك.
ما هي ثنائية الموجة والجسيم؟
في حين أن الرياضيات ، وإن كانت بطريقة معقدة للغاية ، تقدم تنبؤات دقيقة بناءً على المعادلات التفاضلية ، فإن معنى هذه المعادلات لفيزياء الكم أكثر صعوبة في الفهم والشرح. لا تزال محاولة تفسير ازدواجية الموجة والجسيم في قلب الجدل في فيزياء الكم.
تكمن الأهمية العملية لازدواجية موجة-جسيم في حقيقة أنه يجب على أي فيزيائي أن يتعلم إدراك الواقع بطريقة شيقة للغاية ، عند التفكير في أي كائن تقريبًا بالطريقة المعتادة لم يعد كافياً لإدراك مناسب. من الواقع
