Valno-čestični dualizam

Čestično-valni dualizam je svojstvo elementarnih čestica ili kvantnih entiteta da pokazuju i valna i čestična svojstva, ovisno o okolnostima. Kada se elektromagnetsko zračenje širi prostorom, javljaju se ogib (difrakcija) i interferencija, što su valna svojstva. Kada elektromagnetsko zračenje međudjeluje s elektronima tvari pri fotoelektričnom učinku, ono se ponaša poput roja sićušnih nedjeljivih čestica, grudica energije koje se zovu fotoni.

Ogib ili difrakcija elektrona je pokazala da se elektroni ponašaju i kao čestice i kao valovi (dualizam).
Prikaz difrakcija kada je otvor na zapreci jednak valnoj duljini vala. Pri objašnjenju pojava ogiba Huygensovo načelo daje samo ograničene rezultate.

Ovim konceptom se prevazilaze ograničenja klasičnih pojmova čestice i talasa, prilikom objašnjenje stvarnosti. Čestična teorija zasnivala se na pretpostavci da se svjetlost sastoji od roja sitnih čestica koje se gibaju nekom brzinom. Postavio ju je Isaac Newton 1672. kako bi objasnio ravnocrtno gibanje svjetlosti te pojave loma i odbijanja svjetlosti. Nasuprot tomu, Christiaan Huygens je objavio valnu teoriju svjetlosti. Obje su teorije ujedinjene prihvaćanjem dualizma svetlosti.[1]

Današnja nauka smatra da sve čestice imaju i talasnu prirodu.[2] Ovaj fenomen je potvrđen ne samo za elementarne čestice, već i za složenije čestice kao što su atomi i molekuli. Kod makroskopskih čestica talasna karakteristika se obično ne može ni detektovati, što je posledica njihove ekstremno kratke talasne dužine.[3]

Kao prikaz ove pojave danas se najčešće navodi pokus ogiba elektrona na dvostrukom prorezu.

IstorijaUredi

Čestična teorijaUredi

Glavni članak: Korpuskularna teorija

Čestična ili korpuskularna teorija se zasniva na pretpostavci da se svjetlost sastoji od roja sitnih čestica koje se gibaju nekom brzinom. Početkom 1670. godine Isak Njutn je razvio svoju korpuskularnu hipotezu, kako bi objasnio pravolinijsko kretanje svjetlosti, te pojave loma svjetlosti (refrakcija) i odbijanja svjetlosti (refleksija). On je smatrao da savršeno prava linija reflektovane svetlosti demonstrira čestičnu prirodu svetlosti i da samo čestice mogu putovati po tako pravoj liniji.

Valna teorijaUredi

Glavni članak: Valna teorija

Njutnovi savremenici, Robert Huk i Kristijan Hajgens, a kasnije i Avgustin-Žan Fresnel, matematički su izrazili činjenicu da ukoliko svetlost putuje različitom brzinom u različitim sredinama (na primer voda i vazduh), refrakcija (prelamanje) se može lako objasniti kao kretanje svetlosnih talasa, gde je isto zavisno od sredine. Prema Huygensu, svijetleća točka pobudi (potrese) sredstvo kojim se zatim šire svjetlosni valovi (Huygensovo načelo). Valovi se prenose posredstvom elementarnih valova, a njihova anvelopa (omotnica) jest nova fronta vala.[4] Hajgens-Fersnelov princip je bio izuzetno uspešan u reprodukovanju ponašanja svetlosti gde je zatim bio podržan radom Tomasa Janga iz 1803. godine, koji govori o eksperimentu sa dvostrukim prorezom.[5][6][7]

Otkrivanje dualizmaUredi

Glavni članak: Fotoelektrični učinak
 
Fotoelektrični učinak otkriva dualizam: ulazni fotoni dolaze s lijeve strane i udaraju metalnu ploču (na dnu), izbijaju elektrone, koji su prikazani kako izliječu na desnu stranu.

Albert Ajnštajn je uvideo da za objašnjenje fenomena svetlosti moramo koristiti i valnu i čestičnu teoriju:

Čini se da nekada moramo koristiti jednu teoriju a nekada drugu, dok s vremena na vreme možemo koristiti bilo koju. Ovde se suočavamo sa novom vrstom poteškoće. Imamo dve kontradiktorne slike realnosti, odvojeno nijedna od njih u potpunosti ne objašnjava fenomen svetlosti, ali udružene to mogu učiniti.[8]

Zahvaljujući Einsteinovom objašnjenju fotoelektričnog učinka i Planckovom objašnjenju zračenja apsolutno crnog tijela, ukazala se nužnost da se zrakama svijetlosti pridruže i čestična svojstva.

Međutim, Louis de Broglie je postavio obrnuto pitanje: "Ako svijetlost osim valnih posjeduje i čestična svojstva, da li onda česticama supstancije, kao što su, na primjer, elektroni, treba također pridružiti i valna svojstva?" On je u svojoj doktorskoj tezi iz 1924. uveo hipotezu da čestice tvari, kao na primjer elektroni, imaju i valna svojstva. Snop elektrona pri međudjelovanju s tvari na koju nalijeće ponaša se kao roj čestica, ali kada se taj snop širi prostorom, on pokazuje valna svojstva. Poslije je pokusima dokazano da se za snop elektrona dobivaju pojave ogiba i interferencije, to jest da pri širenju zaista pokazuje valna svojstva. Zato se u kvantnoj fizici česticama pridružuju matematičke funkcije (valne funkcije), koje su rješenja određene valne jednadžbe (Schrödingerova jednadžba). [9]

Pretpostavku o valnim svojstvima čestica znanstvena je javnost u prvi mah primila sa nevjericom, čak podsmjehom. Međutim, teoriju su potvrdili Lester Germer i Clinton Joseph Davisson 1927. u pokusu kojim je dokazana difrakcija elektrona na kristalima. Difrakcijska slika je bila dokaz valne prirode elektrona. Za rad na valnoj mehanici i za otkriće valne prirode elektrona, Louis de Broglie je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1929. Jedna od primjena njegovog otkrića je elektronski mikroskop, koji je imao mnogo veću rezoluciju od optičkih mikroskopa jer je valna dužina elektrona mnogo kraća od valne dužine svijetlosti. De Broglieova hipoteza postala je jedan od osnovnih postulata nove kvantne mehanike, ali također uvela u fiziku problem valno-čestičnog dualizma.

Nils Bor se odnosio prema „dualnom paradoksu” kao prema fundamentalnoj ili metafizičkoj činjenici prirode.[10] Dati oblik kvantnog objekta će se nekad pojaviti kao talas, nekad kao čestica, karakter, respektivno u zavisnoti od fizičkih okolnosti. Ovakvu dualnost on je viđao kao aspekt dobro poznatog koncepta komplementarnosti.[11]

IzvoriUredi

  1. korpuskularna teorija, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  2. Walter Greiner (2001). Quantum Mechanics: An Introduction. Springer. ISBN 978-3-540-67458-0. https://books.google.com/books?id=7qCMUfwoQcAC&pg=PA29&dq=wave-particle+all-particles. 
  3. R. Eisberg & R. Resnick (1985). Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (2nd izd.). John Wiley & Sons. str. 59–60. ISBN 978-0-471-87373-0. https://archive.org/details/quantumphysicsof00eisb/page/59. "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. valna teorija, [2] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  5. Young, Thomas (1804). "Bakerian Lecture: Experiments and calculations relative to physical optics". Philosophical Transactions of the Royal Society 94: 1–16. Bibcode:1804RSPT...94....1Y. doi:10.1098/rstl.1804.0001. 
  6. Thomas Young: The Double Slit Experiment
  7. 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 978-0-226-07886-1. OCLC 18069573. https://archive.org/details/riseofwavetheory0000buch. 
  8. Albert Einstein, Leopold Infeld (1938). The Evolution of Physics: The Growth of Ideas from Early Concepts to Relativity and Quanta. Cambridge University Press. Bibcode 1938epgi.book.....E.  Quoted in Harrison, David (2002). "Complementarity and the Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics". UPSCALE. Dept. of Physics, U. of Toronto. http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/Complementarity/CompCopen.html. Pristupljeno 2008-06-21. 
  9. dualizam, [3] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
  10. Kumar, Manjit (2011). Quantum: Einstein, Bohr, and the Great Debate about the Nature of Reality (Reprint izd.). W. W. Norton & Company. str. 242, 375–376. ISBN 978-0-393-33988-8. https://archive.org/details/quantumeinsteinb00manj/page/242. 
  11. Bohr, N. (1928). "The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory". Nature 121 (3050): 580–590. Bibcode:1928Natur.121..580B. doi:10.1038/121580a0.  Unknown parameter |doi-access= ignored (help)

Vidio jošUredi