Dualizm korpuskularno-falowy


Dualizm korpuskularno-falowy w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Dualizm korpuskularno-falowy – cecha obiektów kwantowych (np. fotonów czy elektronów) polegająca na przejawianiu, w zależności od sytuacji, właściwości falowych (dyfrakcja, interferencja) lub korpuskularnych (dobrze określona lokalizacja, pęd)[1].

Zgodnie z mechaniką kwantową cała materia charakteryzuje się takim dualizmem, chociaż uwidacznia się on bezpośrednio tylko w bardzo subtelnych eksperymentach wykonywanych na atomach, fotonach, czy innych obiektach kwantowych.

Dualizm korpuskularno-falowy jest ściśle związany z falami de Broglie’a – koncepcją, która przyczyniła się do powstania mechaniki kwantowej, a w szczególności do wyprowadzenia równania Schrödingera.

Równanie:

λ = h p , {\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}},}

gdzie h {\displaystyle h} jest stałą Plancka, łączy wielkości falowe (długość fali λ {\displaystyle \lambda } ) z korpuskularnymi (pęd p {\displaystyle p} ).

Dualizm korpuskularno-falowy w sformalizowanym języku mechaniki kwantowej można opisać posługując się równaniem Schrödingera:

H ψ ( x , t ) = i t ψ ( x , t ) , {\displaystyle H\psi ({\vec {x}},t)=i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\psi ({\vec {x}},t),}

gdzie:

i {\displaystyle i} jednostka urojona, {\displaystyle \hbar } stała Plancka podzielona przez 2π, H {\displaystyle H} operator różniczkowyhamiltonian opisujący całkowitą energię analizowanej cząstki, ψ ( x , t ) = ψ R ( x , t ) + i ψ I ( x , t ) {\displaystyle \psi ({\vec {x}},t)=\psi _{R}({\vec {x}},t)+i\psi _{I}({\vec {x}},t)} funkcja falowa analizowanej cząstki (funkcje falowe są funkcjami zespolonymi), opisuje możliwe stany czyste danej cząstki kwantowej.

Otrzymana w wyniku rozwiązania tego równania funkcja falowa (stąd „falowość”), a dokładniej kwadrat modułu funkcji falowej | ψ | 2 = ( ψ R ( x , t ) ) 2 + ( ψ I ( x , t ) ) 2 {\displaystyle |\psi |^{2}=(\psi _{R}({\vec {x}},t))^{2}+(\psi _{I}({\vec {x}},t))^{2}} opisuje prawdopodobieństwo wystąpienia danej cząstki w określonym miejscu ( x , t ) {\displaystyle ({\vec {x}},t)} przestrzeni w objętości d 3 x . {\displaystyle d^{3}x.} Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w całej przestrzeni jest równe 1 (jesteśmy pewni, że gdzieś jest). Stąd

d 3 x | ψ | 2 = 1. {\displaystyle \int d^{3}x|\psi |^{2}=1.}

Dokonując pomiaru położenia cząstki zawsze znajdujemy ją w przybliżeniu w konkretnym miejscu w przestrzeni (rejestruje ją konkretny detektor)[2]. W przypadku eksperymentów z podwójną szczeliną uzyskuje się interferencję bądź nie w zależności od tego czy obiekt przejawia właściwości falowe czy cząsteczkowe. Właściwości cząsteczkowe są obserwowane, gdy w szczelinach będzie umieszczony detektor, wykrywający przez którą szczelinę się poruszał obiekt[3]. Przyczyną tego jest istnienie splątania kwantowego i dostępność informacji o obserwablach[4]. Po detekcji cząstki nieoznaczoność jej pędu stopniowo wzrasta, przez co maleje widoczność prążków interferencyjnych[5].

Największe układy, dla których zaobserwowano dualizm korpuskularno-falowy miały 58 (ftalocyjanina) i 114 atomów (pochodna ftalocjaniny)[6][7].

Zobacz też | edytuj kod

Przypisy | edytuj kod

  1. W niektórych eksperymentach cząstka elementarna (tu: foton) jest w superpozycji stanu cząsteczkowego i stanu falowego: Jian-ShunJ.S. Tang Jian-ShunJ.S. i inni, Realization of quantum Wheeler’s delayed-choice experiment, „Nature Photonics”, 6 (9), 2012, s. 600–604, DOI10.1038/nphoton.2012.179, ISSN 1749-4885 [dostęp 2018-08-13]  (ang.). i Quantum wave–particle superposition in a delayed-choice experiment
  2. Przed pomiarami trajektoria cząstki jest superpozycją wszystkich dozwolonych dróg: Measuring the deviation from the superposition principle in interference experiments, Exotic looped trajectories in double-slit experiments with matter waves, Exotic looped trajectories of photons in three-slit interference.
  3. Możliwe jest jednak uzyskanie interferencji i informacji o „wyborze” szczeliny w przypadku, gdy foton jest superpozycją dwóch wektorów falowych (zob. Menzel 2012) i w przypadku zastosowania fair sampling: EliotE. Bolduc EliotE. i inni, Fair sampling perspective on an apparent violation of duality, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 111 (34), 2014, s. 12337–12341, DOI10.1073/pnas.1400106111, PMID25114237, PMCIDPMC4151752 [dostęp 2018-08-13] . i JonathanJ. Leach JonathanJ. i inni, The duality principle in the presence of postselection, „Scientific Reports”, 6 (1), 2016, DOI10.1038/srep19944, ISSN 2045-2322, PMID26821619, PMCIDPMC4731800 [dostęp 2018-08-13]  (ang.).
  4. RalfR. Menzel RalfR. i inni, Wave-particle dualism and complementarity unraveled by a different mode, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 109 (24), 2012, s. 9314–9319, DOI10.1073/pnas.1201271109, PMID22628561, PMCIDPMC3386133 [dostęp 2018-08-13] .
  5. YaY. Xiao YaY. i inni, Observing momentum disturbance in double-slit "which-way" measurements, „arXiv:1805.02059 [quant-ph]”, 5 maja 2018, arXiv:1805.02059 [dostęp 2018-08-14] .
  6. Largest Molecules Yet Behave Like Waves in Quantum Double-Slit Experiment, www.livescience.com [dostęp 2017-11-22] .
  7. ThomasT. Juffmann ThomasT. i inni, Real-time single-molecule imaging of quantum interference, „Nature Nanotechnology”, 7 (5), 2012, s. 297–300, DOI10.1038/nnano.2012.34, ISSN 1748-3395 [dostęp 2017-11-24]  (ang.).
Kontrola autorytatywna (prawo fizyki):
Na podstawie artykułu: "Dualizm korpuskularno-falowy" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy