מהי דואליות גל-חלקיקי? זה מאפיין של פוטונים וחלקיקים תת-אטומיים אחרים שמתנהגים כמו גלים בתנאים מסוימים וכמו חלקיקים בתנאים אחרים.
דואליות גל-חלקיקים של חומר ואור היא חלק חשוב ממכניקת הקוונטים, מכיוון שהיא מדגים בצורה הטובה ביותר את העובדה שמושגים כמו "גלים" ו"חלקיקים", שעובדים מצוין במכניקה הקלאסית, אינם מספיקים כדי הסברים על ההתנהגות של כמה אובייקטים קוונטיים.
הטבע הכפול של האור זכה להכרה בפיזיקה לאחר 1905, כאשר אלברט איינשטיין תיאר את התנהגות האור באמצעות פוטונים, שתוארו כחלקיקים. ואז פרסם איינשטיין את תורת היחסות הפרטית הפחות מפורסמת, שתיארה את האור כהתנהגות גלים.
חלקיקים המפגינים התנהגות כפולה
הכי חשוב, העיקרון של דואליות גל-חלקיקיםנצפה בהתנהגות של פוטונים. אלו הם החפצים הקלים והקטנים ביותר המפגינים התנהגות כפולה. בין עצמים גדולים יותר, כמו חלקיקים אלמנטריים, אטומים ואפילו מולקולות, ניתן לצפות גם באלמנטים של דואליות גל-חלקיקי, אך עצמים גדולים יותר מתנהגים כמו גלים קצרים במיוחד, ולכן קשה מאוד לצפות בהם. בדרך כלל, המושגים המשמשים במכניקה הקלאסית מספיקים כדי לתאר את התנהגותם של חלקיקים גדולים יותר או מקרוסקופיים.
עדות לדואליות גל-חלקיק
אנשים חשבו על טבעם של האור והחומר במשך מאות שנים ואפילו אלפי שנים. עד לאחרונה יחסית, האמינו פיזיקאים שהמאפיינים של האור והחומר חייבים להיות חד משמעיים: אור יכול להיות זרם של חלקיקים או גל, בדיוק כמו חומר, או מורכב מחלקיקים בודדים המצייתים לחלוטין לחוקי המכניקה הניוטונית, או להיות מדיום רציף, בלתי נפרד.
בתחילה, בתקופה המודרנית, התיאוריה על התנהגות האור כזרם של חלקיקים בודדים, כלומר התיאוריה הגופנית, הייתה פופולרית. ניוטון עצמו דבק בה. עם זאת, פיסיקאים מאוחרים יותר כמו הויגנס, פרנל ומקסוול הגיעו למסקנה שאור הוא גל. הם הסבירו את התנהגות האור על ידי תנודת השדה האלקטרומגנטי, והאינטראקציה של אור וחומר במקרה זה נפלה תחת ההסבר של תורת השדות הקלאסית.
עם זאת, בתחילת המאה העשרים, הפיזיקאים עמדו בפני העובדה שלא ההסבר הראשון ולא השני יכלומכסה לחלוטין את אזור התנהגות האור בתנאים ואינטראקציות שונות.
מאז, ניסויים רבים הוכיחו את הדואליות של התנהגותם של חלקיקים מסוימים. עם זאת, ההופעה והקבלה של דואליות גל-חלקיקי של תכונותיהם של עצמים קוונטיים הושפעו במיוחד מהניסויים הראשונים, המוקדמים ביותר, ששמו קץ לוויכוח על אופי התנהגות האור.
אפקט פוטואלקטרי: האור מורכב מחלקיקים
האפקט הפוטואלקטרי, הנקרא גם האפקט הפוטואלקטרי, הוא תהליך האינטראקציה של אור (או כל קרינה אלקטרומגנטית אחרת) עם חומר, שכתוצאה ממנו מועברת אנרגיית חלקיקי האור לחלקיקי חומר. במהלך חקר האפקט הפוטואלקטרי, לא ניתן היה להסביר את התנהגות הפוטואלקטרונים על ידי תיאוריה אלקטרומגנטית קלאסית.
היינריך הרץ ציין עוד ב-1887 שאור אולטרה סגול מאיר על אלקטרודות הגביר את יכולתם ליצור ניצוצות חשמליים. איינשטיין בשנת 1905 הסביר את האפקט הפוטואלקטרי בכך שאור נספג ונפלט על ידי חלקים קוונטיים מסוימים, אותם כינה בתחילה קוואנטה של אור, ולאחר מכן כינה אותם פוטונים.
ניסוי של רוברט מיליקן ב-1921 אישר את שיקול דעתו של איינשטיין והוביל לכך שהאחרון קיבל את פרס נובל על גילוי האפקט הפוטואלקטרי, ומיליקן עצמו קיבל את פרס נובל ב-1923 על עבודתו על חלקיקים יסודיים וחקר האפקט הפוטואלקטרי.
ניסוי דייוויסון-ג'רמר: האור הוא גל
הניסיון של דייוויסון - גרמר אישרהשערתו של דה ברולי לגבי דואליות גל-חלקיקי האור ושימשה בסיס לניסוח חוקי מכניקת הקוונטים.
שני הפיזיקאים חקרו את השתקפותם של אלקטרונים מגביש יחיד ניקל. ההתקנה, הממוקמת בוואקום, הייתה מורכבת מגבישת ניקל בודדת בזווית מסוימת. קרן של אלקטרונים מונוכרומטיים הופנתה ישירות בניצב למישור החתוך.
ניסויים הראו שכתוצאה מהשתקפות, אלקטרונים מפוזרים באופן סלקטיבי מאוד, כלומר, בכל האלומות המוחזרות, ללא קשר למהירויות ולזוויות, נצפים מקסימום ומינימום של עוצמה. לפיכך, דייוויסון וג'רמר אישרו בניסוי את נוכחותן של תכונות גל בחלקיקים.
בשנת 1948, הפיזיקאי הסובייטי V. A. Fabrikant אישר בניסוי שתפקודי גל טבועים לא רק בזרימת אלקטרונים, אלא גם בכל אלקטרון בנפרד.
הניסוי של יונג עם שני חריצים
הניסוי המעשי של תומאס יאנג עם שני חריצים הוא הדגמה שגם האור וגם החומר יכולים להפגין את המאפיינים של גלים וחלקיקים כאחד.
הניסוי של יונג מדגים באופן מעשי את טבעה של דואליות גל-חלקיקים, למרות העובדה שהוא בוצע לראשונה בתחילת המאה ה-19, עוד לפני הופעת תורת הדואליזם.
מהות הניסוי היא כדלקמן: מקור אור (לדוגמה, קרן לייזר) מופנה לצלחת שבה נוצרים שני חריצים מקבילים. אור העובר דרך החרכים מוחזר על המסך שמאחורי הצלחת.
טבע הגל של האור גורם לגלי אור העוברים דרך חריציםלערבב, לייצר פסים בהירים וכהים על המסך, מה שלא היה קורה אם האור היה מתנהג אך ורק כמו חלקיקים. עם זאת, המסך סופג ומחזיר אור, והאפקט הפוטואלקטרי הוא הוכחה לטבעו הגופי של האור.
מהי דואליות גל-חלקיקי חומר?
השאלה האם חומר יכול להתנהג באותה דואליות כמו האור, העלה דה ברולי. בבעלותו השערה נועזת שלפיה, בתנאים מסוימים ובהתאם לניסוי, לא רק פוטונים, אלא גם אלקטרונים יכולים להפגין דואליות גל-חלקיקי. ברולי פיתח את הרעיון שלו לגבי גלי הסתברות לא רק של פוטונים של אור, אלא גם של מאקרו-חלקיקים ב-1924.
כשההשערה הוכחה באמצעות ניסוי דייוויסון-גרמר וחזרה על הניסוי הכפול של יאנג (עם אלקטרונים במקום פוטונים), קיבל דה ברולי את פרס נובל (1929).
מסתבר שחומר יכול גם להתנהג כמו גל קלאסי בנסיבות הנכונות. כמובן שעצמים גדולים יוצרים גלים כל כך קצרים עד שאין משמעות להתבונן בהם, אבל עצמים קטנים יותר, כמו אטומים או אפילו מולקולות, מציגים אורך גל בולט, שחשוב מאוד למכניקת הקוונטים, הבנויה למעשה על פונקציות גלים.
המשמעות של דואליות גל-חלקיק
המשמעות העיקרית של המושג דואליות גל-חלקיק היא שניתן לתאר את ההתנהגות של קרינה אלקטרומגנטית וחומר באמצעות משוואה דיפרנציאלית,המייצג את פונקציית הגל. בדרך כלל זו משוואת שרדינגר. היכולת לתאר את המציאות באמצעות פונקציות גל היא לב ליבה של מכניקת הקוונטים.
התשובה הנפוצה ביותר לשאלה מהי דואליות גל-חלקיק היא שפונקציית הגל מייצגת את ההסתברות למצוא חלקיק מסוים במקום מסוים. במילים אחרות, ההסתברות שחלקיק נמצא במיקום חזוי הופכת אותו לגל, אבל המראה והצורה הפיזיים שלו לא.
מהי דואליות גל-חלקיקי?
בעוד שמתמטיקה, אם כי בצורה מורכבת ביותר, עושה תחזיות מדויקות המבוססות על משוואות דיפרנציאליות, המשמעות של משוואות אלו לפיזיקה הקוונטית היא הרבה יותר קשה להבנה ולהסביר. ניסיון להסביר מהי דואליות גל-חלקיק עדיין עומד במרכז הוויכוח בפיזיקה הקוונטית.
המשמעות המעשית של דואליות גל-חלקיקים נעוצה גם בעובדה שכל פיזיקאי חייב ללמוד לתפוס את המציאות בצורה מאוד מעניינת, כאשר חשיבה על כמעט כל אובייקט בדרך הרגילה כבר אינה מספיקה לתפיסה נאותה. של המציאות.
