Wave-Particle Duality: Är en elektron en partikel eller en våg?

Anonim

Ljus trodde vara en våg vevning genom rymdtid, som en krusning i en damm, fram till 1905, när Einstein visade att den också beter sig som en partikel. Detta var en häpnadsväckande uppenbarelse. Einstein hade äntligen löst ett nyfiken fysikproblem av hur lätt incident på en metall skulle slå elektroner ut från dess yta. Han insåg att detta bara skulle vara möjligt om ljus inte uppträdde som en våg, utan snarare som stela stenar eller diskreta paket av foton, som han kallade dem. Ljuspartikeln skulle slå ut elektroner på samma sätt som en cue ball slår en 8-boll. Trots att han visade någonting som störande som tidsresor, vann Einstein Nobelpriset för denna upptäckt - för att förklara den fotoelektriska effekten.

Lysets dubbla liv har förvirrad fysiker sedan Einstein gjort sin upptäckt. (Fotokredit: Pexels)

Med denna upptäckt gav Einstein ut det som nu kallas Wave-Particle Duality. Ljuset leder ett dubbelt liv - det existerar som en våg när ljusets ljusstyrka flyter runt ett föremål som hindrar dess väg, men det finns också som en partikel när den avfyras från munstycket på en LASER. Men är det bara ljus som är utrustad med denna svaga personlighet? Varför skulle naturen uppmuntra sådan asymmetri? Eller finns det också något i krusningar? Dessa var de frågor som Louis de Broglie tog upp i sin doktorand. avhandling 1924. Vad drog han slutsatsen? Ja, det spelar också upp som vågor.

Double Slit Experiment

Davisson och Garner utförde ett landmärkeexperiment som visar att när elektroner avfyras mot två slitsar, reproducerar mönstret som alstras på en fluorescerande skärm framför dem en interferensmönster. Ett interferensmönster är att vinka vilken kyla som är till is. Ett interferensmönster är i princip vågornas identitet. När monokromatiskt ljus (ljus av en enda våglängd) passerar genom två slitsar, kombinerar vissa vågor, medan de andra avbryter varandra för att bilda ett långt alternativt mönster av ljus och mörka band på en skärm framåt.

(Foto Kredit: NekoJaNekoJa ~ Commonswiki / Wikimedia Commons)

Om du emellertid skulle skicka flera tennisbollar genom de två slitsarna, skulle varje tennisboll helt enkelt gå igenom någon av dem och därigenom bilda endast två band tennisbollar på skärmen. Det här är vad du förväntar dig intuitivt av partiklar, till exempel, elektroner. Detta är dock inte fallet. Davisson och Garner visade att när du skickar elektroner genom de två slitsarna, belyser de skärmen med inte bara två, men ett långt alternativt mönster av ljus och mörka band av elektroner!

Louis De Broglie's hypotes

Han anlände till detta förhållande genom att jämföra energierna i de två asymmetriska systemen som han trodde var faktiskt symmetriska: Ljusens energipatron och den enskilda fotonens diskreta energi . Nu, c = f λ, som ger relationen: p λ = h eller λ = h / p.

Nu, för att hypotesen är sant för en elektron, är det också sant för allt som elektroner komponerar - vilket är i grunden allt. Låt oss överväga en orange basket. Anledningen till att en basket inte väver och flyter runt objekt är att våglängden i samband med den är oändlig. Anslut värdena och se det själv. Oavsett hur mycket det är eller hur snabbt det rör sig kan det inte överväga kvantiteten i täljaren. Våglängden på en basket målar i skalaen meter.

Beräkningen av de Broglie våglängd i samband med en 1 kg basket.

Dubbelslitsexperimentet kan endast utföras om vågens våglängd är jämförbar med slitsens bredd. Om du skulle replikera Davisson och Garners resultat på en basket skulle du behöva slitsar som var en bredd av meter. Den nuvarande tekniken tillåter inte detta. En elektrons våglängd mäter dock på skalan av meter. Detta beror på en elektrons svaga massa och snabb hastighet. Utvecklingen av slitsar härvid är tillåten med nuvarande teknik.

I huvudsak har en basket en våglängd, men det är alltför liten för att uppfattas. Inte bara en basket, men också dig, jag och allt i hela universum uppvisar en vågpartikel dualitet. Naturen är ju symmetrisk.

Mysteriet som är kvantmekanik

Deras funderingar tyder på vår uppfattning om styvhet. Fint, jag ska släppa mina väsentliga synpunkter, men hur kan jag föreställa mig ripplar av elektroner? Denna motsägelse, denna oförmåga att förstå en elektronvåg i den traditionella vågens vågor, bekymrar oss djupt. Lyckligtvis kan man finna respit (eller delirium) i det faktum att dessa vågor inte är de traditionella krusningar vi finner i en damm, utan snarare "probabilistiska" vågor. Medan man kan lokalisera den sten som orsakar en krusning, kan samma sak inte sägas om en elektron.

För en probabilistisk våg kan inte stenen lokaliseras, eftersom dess läge är osäker. Man kan inte uttryckligen säga att det är "här" eller "där". Vad man kan säga är att stenen är mer "sannolik" att hittas här eller där. På ett sätt då är det "överallt", dess plats är "distribuerad". Men - och det är därför jag tillfogade tillbrott med delirium - detta begrepp av probabilistiska vågor innebär att elektronen passerar genom båda slitsarna samtidigt!

Vad man kan säga är att stenen är mer "sannolik" att hittas här eller där. På ett sätt då är det "överallt", dess plats är "distribuerad".

Fysikerna var obevekliga. De ville se denna "distribution" med egna ögon. De plantade noggranna detektorer som skulle övervaka en elektron när den passerade genom slitsen. Vad de observerade stupefied dem. Nu när de observerade varje passande elektron, antog bilden på skärmen det förutspådda mönstret hos en partikel- eller tennisboll! Det resulterande mönstret består helt enkelt av två vertikala band fyllda med elektroner. Vid den här tiden ställde alla sina händer i hjälplöshet och utbröt sannolikt: "Vi har fått nog."

Det som hände var att den blotta akten av observation förändrade elektronernas natur irreversibelt. Två begrepp förklarar detta absurda beteende, två begrepp som icke-vetenskaplig kultur så lätt identifierar med quantumvärldens mysterier: Heisenbergs osäkerhetsprincip och Schrodings olyckliga katt.

Att analysera elektronernas dubbla natur är som att lyssna på en sång: när du ser fram emot att uppskatta texterna (plats), förlorar du det vackra pianot, den mjuka gitarren och periodiska bongos, de väsentliga låtarna (momentum) som utgör dess melodi. När du är fast besluten att uppskatta låtarna, förlorar du koll på de uppriktiga texterna. Vi kan inte låna våra enheter till en enda aspekt; Vi måste uppnå en lämplig kompromiss för att uppskatta musiken som helhet.

I experimenten utan de känsliga detektorerna är vi mycket osäkra om elektronens exakta position och mycket säker på sin energi och därmed momentum. I kvantmekanikens räkning likställs momentum med fördelning eller våglängder eller vågor, medan platsen likställs med exakthet eller partiklar. Kunskapen om momentum orsakar därför att en elektron uppträder som en våg. I experiment med detektorerna är vi mycket säkra på elektronens placering och osäker på dess momentum. Denna observationsåtgärd tvingar den att verka som en partikel. Ändringarna i sin natur är, som nämnts, irreversibla. Katten är både död och levande tills du öppnar lådan för att se den själv. Läskigt.

Kort sagt är elektronen både en partikel och en våg tills vi mäter någon av dess definierande egenskaper - momentum eller plats. När någon av dem är uppmätt, bestäms naturen permanent.

De Broglie vann Nobelpriset för sin djupaste upptäckt, vars konsekvenser senare blev central för science fiction. I den verkliga världen är de Broglie-upptäckten ett allvarligt hot mot Moores lag, som säger att transistorer som implanteras på ett halvledarsubstrat måste fördubblas varje år. För närvarande, inom nanometerområdet, skulle ledningarna i slutändan bli jämförbara med storleken av elektroner, vilket medför att inneboende kvanteffekter rota med deras funktion. Ingenjörer undrar hur små ledningarna måste vara innan elektronerna flyter runt apparaten som de gör runt slitsarna.

Emellertid banade vågens natur elektroner också vägen för utvecklingen av elektronmikroskop. Dessa mikroskop belyser inte prover med ljus, utan snarare elektroner. Vågorna av elektroner förstoras sedan av kraftfulla magneter, precis som ljusets vågor förstoras av linser. De kan uppnå en förstoring av upp till 10.000.000 gånger. Detta har gjort det möjligt för mikrobiologer och kemister att studera molekyler i fantastisk detalj. Återigen är vår traditionella tolkning av vågor förvirrad, men som Neil deGrasse Tyson hävdar: "Universum är inte skyldigt att ge mening åt dig."