ازدواجية موجة الجسيمات وكيف تعمل

موجة ثنائية الجسيمات مبدأ فيزياء الكم يحمل هذه المسألة والضوء يحمل سلوكيات كل من الأمواج والجزيئات ، وهذا يتوقف على ظروف التجربة. إنه موضوع معقد ولكنه من أكثر المواضيع إثارة للاهتمام في الفيزياء.

في 1600s ، كريستيان هيغنز و إسحاق نيوتن النظريات المتنافسة المقترحة لسلوك الضوء. اقترح هيجنز نظرية موجة الضوء بينما كان نيوتن نظرية "جسيمية" للضوء. كان لنظرية هيغنز بعض القضايا في مطابقة الملاحظة وساعدت هيبة نيوتن في دعم نظريته ، لذلك ، لأكثر من قرن ، كانت نظرية نيوتن هي المهيمنة.

في أوائل القرن التاسع عشر ، نشأت مضاعفات للنظرية الحسية للضوء. الانحراف وقد لوحظ ، لشيء واحد ، والتي لديها مشكلة في شرح كاف. توماس يونغ تجربة شق مزدوج نتج عن سلوك موجة واضح وبدا أنه يدعم بقوة نظرية موجة الضوء على نظرية جسيمات نيوتن.

يجب أن تنتشر الموجة عمومًا عبر وسيط من نوع ما. الوسيط الذي اقترحه هيغنز كان الأثير مضيئ (أو في المصطلحات الحديثة الأكثر شيوعًا ، الأثير). متى جيمس كلير ماكسويل كميا مجموعة من المعادلات (تسمى قوانين ماكسويل أو معادلات ماكسويل) لشرح الاشعاع الكهرومغناطيسي (بما فيها

كانت مشكلة نظرية الموجة أنه لم يتم العثور على مثل هذا الأثير. ليس ذلك فحسب ، ولكن الملاحظات الفلكية في الانحراف النجمي لجيمس برادلي في عام 1720 قد أوضحت أن الأثير يجب أن يكون ثابتًا بالنسبة إلى الأرض المتحركة. طوال 1800s ، بذلت محاولات للكشف عن الأثير أو حركتها مباشرة ، وبلغت ذروتها في الشهير تجربة مايكلسون مورلي. لقد فشلوا جميعًا في اكتشاف الأثير ، مما أدى إلى نقاش ضخم مع بداية القرن العشرين. كان ضوء موجة أو جسيم؟

في عام 1905 ، البرت اينشتاين نشر ورقته لشرح التأثير الكهروضوئي، الذي اقترح أن الضوء سافر كحزم منفصلة من الطاقة. كانت الطاقة الموجودة داخل الفوتون مرتبطة بتكرار الضوء. أصبحت هذه النظرية معروفة باسم نظرية الفوتون من الضوء (على الرغم من أن كلمة الفوتون لم تصاغ إلا بعد سنوات).

مع الفوتونات ، لم يعد الأثير ضروريًا كوسيلة للانتشار ، على الرغم من أنه لا يزال يترك المفارقة الغريبة حول سبب ملاحظة سلوك الموجة. حتى أكثر غريبة كانت الاختلافات الكم من تجربة الشق المزدوج و تأثير كومبتون الذي بدا لتأكيد تفسير الجسيمات.

عند إجراء التجارب وتراكم الأدلة ، سرعان ما أصبحت الآثار واضحة ومثيرة للقلق:

يعمل الضوء كجسيم وموجة ، اعتمادًا على كيفية إجراء التجربة ومتى يتم إجراء الملاحظات.

مسألة ما إذا كانت مثل هذه الازدواجية ظهرت أيضًا في المسألة تم تناولها من خلال الجرأة فرضية دي برولي، الذي مدد عمل أينشتاين لربط الطول الموجي الملحوظ للمادة بزخمها. أكدت التجارب الفرضية في عام 1927 ، مما أدى إلى جائزة نوبل لعام 1929 دي برولي.

تماما مثل الضوء ، يبدو أن المسألة أظهرت كل من خصائص الموجة والجسيمات في ظل الظروف المناسبة. من الواضح أن الأجسام الضخمة تظهر أطوالًا موجية صغيرة جدًا ، صغيرة جدًا في الواقع لدرجة أنه من غير المجدي التفكير بها بأسلوب موجي. لكن بالنسبة للأجسام الصغيرة ، يمكن أن يكون طول الموجة ملحوظًا ومهمًا ، كما تشهد عليه التجربة ذات الشق المزدوج مع الإلكترونات.

تكمن الأهمية الرئيسية لثنائي موجة الجسيم في أن كل سلوك للضوء والمادة يمكن أن يكون موضحة من خلال استخدام معادلة تفاضلية تمثل دالة موجية ، بشكل عام في الشكل من معادلة شرودنجر. هذه القدرة على وصف الواقع في شكل موجات هي في قلب ميكانيكا الكم.

التفسير الأكثر شيوعًا هو أن الدالة الموجية تمثل احتمال العثور على جسيم معين عند نقطة معينة. هذه المعادلات الاحتمالية يمكن أن تشتت ، وتتداخل ، وتظهر خصائص أخرى تشبه الموجة ، مما يؤدي إلى دالة موجية احتمالية نهائية تظهر هذه الخصائص أيضًا. في نهاية المطاف يتم توزيع الجسيمات وفقًا لقوانين الاحتمال ، وبالتالي تظهر خصائص الموجة. وبعبارة أخرى ، فإن احتمال وجود جسيم في أي مكان هو موجة ، ولكن المظهر المادي الفعلي لذلك الجسيم ليس كذلك.

في حين أن الرياضيات ، على الرغم من تعقيدها ، تقوم بتنبؤات دقيقة ، إلا أن المعنى المادي لهذه المعادلات يصعب فهمه. إن محاولة توضيح معنى "ازدواجية جسيم الموجة" تعني "حقيقة" هي نقطة نقاش رئيسية في فيزياء الكم. توجد تفسيرات كثيرة لمحاولة توضيح ذلك ، لكنها جميعًا مرتبطة بنفس مجموعة معادلات الموجة... وفي النهاية ، يجب أن تشرح نفس الملاحظات التجريبية.

حررت بواسطة آن ماري هيلمنستين ، دكتوراه