Браново-честична природа на материјата

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето

Со теоријата на дуална природа на честиците се објасува појавата на особини не само на честици, туку и на бранови, при разгледување на секоја елементарна честица. Таа се однесува на неможноста целосно да се објаснат својствата на честици со квантни димензии со помош на класичните концепти за „честици“ или „бранови“. Како што кажал Ајнштајн: „Се чини дека мораме понекогаш да ја користиме едната теорија, а понекогаш другата, додека понекогаш можеме да користиме било која од нив. Соочени сме со нов вид потешкотии. Имаме две контрадикторни слики за реалноста; одделно ниедна од нив не го објаснува феноменот - светлина, но заедно го можат тоа.“[1]

Со работата на Макс Планк, Алберт Ајнштајн, Луис де Броли, Артур Комптон, Нилс Бор и многумина други, сегашната научна теорија е дека сите честици исто така имаат и бранова природа - и обратно. .[2] Кај макроскопски честици, заради нивните мали бранови должини, брановите својства најчесто не можат да бидат детектирани.[3]

Иако употребата на дуалната природа на честиците добро соодвестува во физиката, значењето или интерпретацијата не се задоволувачки.

Нилс Бор сметал дека „парадоксот на дуалноста“ е фундаментален или метафизички факт за природата. Даден вид на квантен објект, ќе покаже понекогаш бранов, а понекогаш карактер на честица во различни физички поставувања .[4] Бор мислел дека одрекувањето од тогашната слика за просторот и времето е неопходно за квантната механика.[5]

Вернер Хајзенберг сметал дека дуалната природа е присутна кај сите квантни објекти, но не во вообичаената квантно-механичка смисла како кај Бор. Тој ја разгледувал т.н. „секундарна квантизација“, од која што произлегува целосно нов концепт на полиња коишто постојат во обичниот простор. Класичните теории за просторот се заменети со сосема нов тип на теории, какви што се оние за квантните полиња.[6][7]

Кратка историја на погледите за честици и бранови[уреди | уреди извор]

Аристотел бил еден од првите луѓе кои јавно се занимавале со прашањето за природата на светлината. Тој предложил дека светлината е еден вид на нарушување во етерот, што значи дека таа би имала бранова природа. Од друга страна, Демокрит, првиот атомист, сметал дека сите нешта во универзумот, вклучувајќи ја и светлината, се составени од индивидуални компоненти, а светлината е некој вид на сончев атом.[8] На почетокот на XI век, арапскиот научник Алхазен ја напишал првата сеопфатна книга за оптиката, опишувајќи ја рефлексијата, прекршувањето, и начинот на работење на објективната леќа преку зраци светлина кои патуваат од точката на емисија до окото на набљудувачот. Тој тврдел дека овие зраци се составени од честички на светлина. Во 1630, Рене Декарт го популаризирал спротивниот, бранов опис во неговата книга за светлината, покажувајќи дека карактеристиките на светлината можат да бидат рекреирани со креирање бранови нарушувања во универзална средина. Почнувајќи од 1670, во текот на три декади, Исак Њутн ја развил неговата корпускуларна хипотеза. Тој тврдел дека перфектно правите линии на рефлексијата укажуваат на корпускуларната природа на честиците, затоа што само честиците можат да патуваат во такви прави линии. Тој го објаснил прекршувањето на светлината со аргументот дека светлинските честици странично се спуштаат при влегувањето во погуста средина. Приближно во тоа време, современиците на Њутн, Роберт Хук и Кристијан Хајгенс (и подоцна Огистен-Жан Френел) математички ја рафинирале брановата гледна точка, покажувајќи дека ако светлината патува со различни брзини во различни средини (како воздух и вода) прекршувањето може лесно да се објасни како ширење на светлинскиот бран во зависност од средината. Ова довело до развивање на Хајгенс-Френеловиот принцип, кој бил екстремно успешен во репродукцијата на однесувањето на светлината и бил поддржан од откритието на Томас Јанг во 1803 за интерференцијата.[9][10] Погледот за брановата природа не ги отфрлил веднаш теориите за зракот и честицата, но започна да доминира во научните размислувања за светлината во средишниот дел на XIX век, затоа што можел да ја објасни појавата на поларизација, за разлика од другите гледишта.[11]

Нацртот на Томас Јанг за дифракцијата на брановите, 1803

Џејмс Кларк Максвел открил дека може да комбинира четири едноставни равенки, кои биле откриени претходно, со мали промени да го објасни ширењето на осцилаторни електрични и магнетни полиња. Кога била калкулирана брзината на ширењето на овие електромагнетни бранови, се добила брзината на светлината. Брзо станало јасно дека видливата светлина, ултравиолетовата светлина, и инфрацрвената светлина (кои претходно се мислело дека не се поврзани) се сите електромагнетни бранови со различни фреквенции. Брановата теорија победила - или барем така изгледало.

Додека XIX век го виде успехот на брановата теорија за светлината, исто така беше сведок на растењето на атомската теорија за опишување на материјата. Антоан Лавоисер го напиша законот за конзервација (зачувување) на масата и категоризираше многу нови хемиски елементи и соединенија. Јосеф Луис Пруст ја напредна хемијата кон атомот покажувајќи дека елементите се соединуваат во одредени пропорции. Ова го доведе Џон Далтон да предложи дека елементите се невидливи компоненти. Авогардо ги откри диатомичните гасови и ја комплетираше основната атомска теорија, дозволувајќи точните молекуларни формули на повеќето познати молекули, како и точната тежина на атомите, да бидат откриени и категоризирани на постојан начин. Димитри Менделеев забележа редослед во хемиските карактеристики, и направи табела презентирајќи ги елементите во единствен ред и симетрија.

Анимација која ја покажува дуалноста со експериментот со двоен процеп и ефектот на набљудувачот.

.]]

Дејството на честиците ја визуелизираат интерференцијата на брановите.
Квантна честица е прикажана преку бранов пакет.
Интерференција на квантна честица со самата себеси.
Кликни на сликите за да ја видиш анимацијата.
  1. Harrison, David (2002). „Complementarity and the Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics“. UPSCALE. Dept. of Physics, U. of Toronto. конс. 2008-06-21. 
  2. Walter Greiner (2001). Quantum Mechanics: An Introduction. Springer. ISBN 3-540-67458-6. http://books.google.com/?id=7qCMUfwoQcAC&pg=PA29&dq=wave-particle+all-particles. 
  3. R. Eisberg and R. Resnick (1985). Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (2nd издание). John Wiley & Sons. стр. 59–60. ISBN 047187373X. „For both large and small wavelengths, both matter and radiation have both particle and wave aspects.... But the wave aspects of their motion become more difficult to observe as their wavelengths become shorter.... For ordinary macroscopic particles the mass is so large that the momentum is always sufficiently large to make the de Broglie wavelength small enough to be beyond the range of experimental detection, and classical mechanics reigns supreme.“ 
  4. Kumar, Manjit (2011). Quantum: Einstein, Bohr, and the Great Debate about the Nature of Reality (Reprint издание). W. W. Norton & Company. стр. 242, 375–376. ISBN 978-0393339888. 
  5. Bohr, N. (1927/1928). The quantum postulate and the recent development of atomic theory, Nature Supplement April 14 1928, 121: 580–590.
  6. Camilleri, K. (2009). Heisenberg and the Interpretation of Quantum Mechanics: the Physicist as Philosopher, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 978-0-521-88484-6.
  7. Preparata, G. (2002). An Introduction to a Realistic Quantum Physics, World Scientific, River Edge NJ, ISBN 978-981-238-176-7.
  8. Nathaniel Page Stites, M.A./M.S. "Light I: Particle or Wave?," Visionlearning Vol. PHY-1 (3), 2005. http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=132
  9. Young, Thomas. Bakerian Lecture: Experiments and calculations relative to physical optics. „Philosophical Transactions of the Royal Society“ том  94: 1–16. doi:10.1098/rstl.1804.0001. Bibcode1804RSPT...94....1Y. http://books.google.com/books?id=7AZGAAAAMAAJ&pg=PA1#v=onepage&q&f=false. 
  10. Thomas Young: The Double Slit Experiment
  11. Buchwald, Jed (1989). The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century. Chicago: University of Chicago Press. ISBN 0-226-07886-8. OCLC 18069573