ความเป็นคู่ของแสงและอนุภาคคลื่นหมายความว่าแสงมีคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่อเนื่องและคุณสมบัติของโฟตอนที่แยกส่วนพร้อมกัน ข้อสรุปพื้นฐานนี้จัดทำโดยนักฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20 และต่อยอดจากแนวคิดเกี่ยวกับแสงก่อนหน้านี้ นิวตันเชื่อว่าแสงคือกระแสของคอร์ปัสเคิล ซึ่งก็คือกระแสของอนุภาคของสสารที่บินเป็นเส้นตรง ทฤษฎีนี้อธิบายได้ดีถึงการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง แต่ความยากลำบากเกิดขึ้นในการอธิบายกฎแห่งการสะท้อนและการหักเหของแสง และปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนและการแทรกสอดไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีเกี่ยวกับคอร์ปัสคัสเลย ดังนั้นทฤษฎีคลื่นของแสงจึงเกิดขึ้น ทฤษฎีนี้อธิบายการเลี้ยวเบนและการรบกวน แต่มีปัญหาในการอธิบายแสงตรง เฉพาะในศตวรรษที่ 19 เจ. เฟรสเนลโดยใช้การค้นพบของนักฟิสิกส์คนอื่น ๆ สามารถรวมหลักการที่ได้รับมาแล้วเป็นทฤษฎีเดียวตามที่แสงเป็นคลื่นกลตามขวาง ต่อมาแมกซ์เวลล์ค้นพบว่าแสงเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทหนึ่ง แต่ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ต้องขอบคุณการค้นพบของไอน์สไตน์ แนวคิดเกี่ยวกับแสงสว่างจึงเปลี่ยนไปอีกครั้ง แสงถูกเข้าใจว่าเป็นกระแสโฟตอน แต่ทฤษฎีคลื่นสามารถอธิบายคุณสมบัติบางอย่างของแสงได้อย่างสมบูรณ์แบบ แสงมีทั้งคุณสมบัติทางร่างกายและทางคลื่น ในกรณีนี้ มีความสม่ำเสมอดังต่อไปนี้: ยิ่งความยาวคลื่นสั้นลง คุณสมบัติทางร่างกายก็จะยิ่งสว่างขึ้นเท่านั้น ยิ่งความยาวคลื่นนานขึ้น คุณสมบัติของคลื่นก็จะยิ่งสว่างขึ้นเท่านั้น
จากข้อมูลของ de Broglie วัตถุขนาดเล็กแต่ละชิ้นมีความสัมพันธ์กันในด้านหนึ่งโดยมีลักษณะเฉพาะของกล้ามเนื้อ - พลังงาน E และโมเมนตัม p และในทางกลับกันกับลักษณะของคลื่น - ความถี่และความยาวคลื่น
ในปี 1924 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส L. de Broglie ได้ตั้งสมมติฐานที่ชัดเจน: ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นมีลักษณะสากล กล่าวคือ อนุภาคทั้งหมดที่มีโมเมนตัมจำกัด P มีคุณสมบัติเป็นคลื่น นี่คือวิธีที่สูตร de Broglie อันโด่งดังปรากฏในฟิสิกส์ โดยที่ m คือมวลของอนุภาค V คือความเร็วของมัน h คือค่าคงที่ของพลังค์
ดังนั้น, คุณสมบัติทางร่างกายและคลื่นของวัตถุขนาดเล็กนั้นเข้ากันไม่ได้กับการสำแดงที่เกิดขึ้นพร้อมๆ กัน อย่างไรก็ตาม พวกมันแสดงลักษณะของวัตถุได้อย่างเท่าเทียมกัน กล่าวคือ เสริมซึ่งกันและกัน- แนวคิดนี้แสดงโดย N. Bohr และเขาได้วางรากฐานของหลักการระเบียบวิธีที่สำคัญที่สุดของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ซึ่งในปัจจุบันไม่เพียงแต่ครอบคลุมวิทยาศาสตร์กายภาพเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิทยาศาสตร์ธรรมชาติทั้งหมดด้วย - หลักการเสริมกัน (1927). สาระการเรียนรู้แกนกลางหลักการของการเกื้อกูลกันตามแนวคิดของ N. Bohr มีดังต่อไปนี้: ไม่ว่าปรากฏการณ์จะนอกเหนือไปจากคำอธิบายทางกายภาพแบบคลาสสิกไปไกลแค่ไหน ข้อมูลการทดลองทั้งหมดจะต้องอธิบายโดยใช้แนวคิดแบบคลาสสิกในการอธิบายปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมอย่างครบถ้วน จำเป็นต้องใช้ชุดแนวคิดคลาสสิกสองชุดที่แยกจากกัน (เพิ่มเติม) ซึ่งรวมกันจะให้ข้อมูลที่สมบูรณ์ที่สุดเกี่ยวกับปรากฏการณ์เหล่านี้โดยรวม
หลักการของการเกื้อกูลกันซึ่งเป็นหลักการทั่วไปของความรู้สามารถกำหนดได้ดังนี้ ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่แท้จริงทุกอย่างไม่สามารถให้คำจำกัดความได้อย่างชัดเจนโดยใช้คำพูดในภาษาของเรา และต้องมีแนวคิดเพิ่มเติมที่แยกจากกันไม่ได้อย่างน้อยสองแนวคิดสำหรับคำจำกัดความ ปรากฏการณ์ดังกล่าวรวมถึงปรากฏการณ์ควอนตัมชีวิตจิตใจ ฯลฯ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Bohr มองเห็นความจำเป็นในการใช้หลักการเสริมในชีววิทยาซึ่งเนื่องมาจากโครงสร้างและหน้าที่ที่ซับซ้อนอย่างยิ่งของสิ่งมีชีวิตที่ให้ไว้ ด้วยความสามารถที่ซ่อนอยู่อย่างไม่สิ้นสุด
หากคุณคิดว่าเราจมดิ่งลงสู่การลืมเลือนกับหัวข้อที่น่าเหลือเชื่อของเรา เราก็รีบทำให้คุณผิดหวังและทำให้คุณมีความสุข: คุณคิดผิด! ในความเป็นจริง ตลอดเวลานี้เราพยายามค้นหาวิธีการที่ยอมรับได้ในการนำเสนอหัวข้อบ้าๆ ที่เกี่ยวข้องกับความขัดแย้งทางควอนตัม เราเขียนร่างหลายฉบับ แต่ทั้งหมดถูกโยนทิ้งไปในความเย็น เพราะเมื่อต้องอธิบายเรื่องตลกเกี่ยวกับควอนตัม เราก็สับสนและยอมรับว่าเราไม่เข้าใจอะไรมากนัก (และโดยทั่วไปแล้ว มีเพียงไม่กี่คนที่เข้าใจเรื่องนี้ รวมถึงนักวิทยาศาสตร์ที่เก่งที่สุดในโลกด้วย) อนิจจา โลกควอนตัมนั้นแปลกแยกจากมุมมองของชาวฟิลิสเตียมากจนไม่ใช่เรื่องน่าละอายเลยที่จะยอมรับความเข้าใจผิดของคุณและพยายามร่วมกันทำความเข้าใจพื้นฐานอย่างน้อยที่สุด
และแม้ว่าตามปกติเราจะพยายามพูดคุยให้ชัดเจนที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ด้วยรูปภาพจาก Google แต่ผู้อ่านที่ไม่มีประสบการณ์จะต้องเตรียมการเบื้องต้น ดังนั้นเราขอแนะนำให้คุณอ่านหัวข้อก่อนหน้านี้ของเรา โดยเฉพาะเกี่ยวกับควอนตัมและสสาร
โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับนักมานุษยวิทยาและผู้ที่สนใจอื่นๆ - ความขัดแย้งทางควอนตัม ส่วนที่ 1.
ในหัวข้อนี้ เราจะพูดถึงความลึกลับที่พบบ่อยที่สุดของโลกควอนตัม - ความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค เมื่อเราพูดว่า "ธรรมดาที่สุด" เราหมายถึงว่านักฟิสิกส์เบื่อหน่ายกับมันมากจนดูเหมือนไม่ใช่เรื่องลึกลับด้วยซ้ำ แต่ทั้งหมดนี้เป็นเพราะความขัดแย้งทางควอนตัมอื่นๆ นั้นยากยิ่งกว่าสำหรับจิตใจโดยเฉลี่ยที่จะยอมรับ
และมันก็เป็นเช่นนี้ ในสมัยก่อน ที่ไหนสักแห่งในกลางศตวรรษที่ 17 นิวตันและไฮเกนส์ไม่เห็นด้วยกับการมีอยู่ของแสง นิวตันประกาศอย่างไร้ยางอายว่าแสงคือกระแสของอนุภาค และฮอยเกนส์รุ่นเก่าพยายามพิสูจน์ว่าแสงคือคลื่น แต่นิวตันมีอำนาจมากกว่า ดังนั้นคำพูดของเขาเกี่ยวกับธรรมชาติของแสงจึงได้รับการยอมรับว่าเป็นความจริง และไฮเกนส์ก็หัวเราะเยาะ และเป็นเวลากว่าสองร้อยปีที่แสงถือเป็นกระแสของอนุภาคที่ไม่รู้จัก ซึ่งเป็นธรรมชาติที่พวกเขาหวังว่าจะค้นพบในสักวันหนึ่ง
ในตอนต้นของศตวรรษที่ 19 นักตะวันออกชื่อโทมัส ยังขลุกอยู่กับอุปกรณ์เกี่ยวกับการมองเห็น ด้วยเหตุนี้เขาจึงทำการทดลองซึ่งปัจจุบันเรียกว่าการทดลองของยัง และนักฟิสิกส์ทุกคนถือว่าการทดลองนี้ศักดิ์สิทธิ์
โธมัส ยังเพิ่งกำหนดลำแสง (ที่มีสีเดียวกันเพื่อให้ความถี่เท่ากันโดยประมาณ) ของแสงผ่านช่องสองช่องในจาน และวางแผ่นกรองอีกแผ่นไว้ด้านหลัง และแสดงผลลัพธ์ให้เพื่อนร่วมงานของเขาดู ถ้าแสงเป็นกระแสอนุภาค เราก็จะเห็นแถบแสงสองแถบที่พื้นหลัง
แต่น่าเสียดายสำหรับโลกวิทยาศาสตร์ทั้งหมด มีแถบสีเข้มและสีอ่อนปรากฏขึ้นบนหน้าจอเพลต ปรากฏการณ์ทั่วไปที่เรียกว่าการรบกวนคือการซ้อนทับกันของคลื่นสองลูก (หรือมากกว่านั้น) ที่ซ้อนทับกัน
อย่างไรก็ตาม ต้องขอบคุณการรบกวนที่เราสังเกตเห็นสีรุ้งบนคราบน้ำมันหรือบนฟองสบู่
กล่าวอีกนัยหนึ่ง โทมัส ยังทดลองพิสูจน์ว่าแสงคือคลื่น โลกวิทยาศาสตร์ไม่อยากจะเชื่อจุงมาเป็นเวลานาน และครั้งหนึ่งเขาถูกวิพากษ์วิจารณ์อย่างมากถึงขนาดละทิ้งความคิดเรื่องทฤษฎีคลื่นด้วยซ้ำ แต่ความมั่นใจในความถูกต้องของพวกเขายังคงได้รับชัยชนะ และนักวิทยาศาสตร์เริ่มถือว่าแสงเป็นเหมือนคลื่น จริงอยู่ คลื่นของอะไร - มันเป็นเรื่องลึกลับ
ในภาพคือการทดลองจุงแบบเก่าที่ดี
ต้องบอกว่าธรรมชาติของคลื่นแสงไม่ได้มีอิทธิพลอย่างมากต่อฟิสิกส์คลาสสิก นักวิทยาศาสตร์เขียนสูตรใหม่และเริ่มเชื่อว่าอีกไม่นานโลกทั้งโลกจะล้มลงแทบเท้าภายใต้สูตรสากลเดียวสำหรับทุกสิ่ง
แต่คุณเดาได้แล้วว่าไอน์สไตน์ทำลายทุกสิ่งเช่นเคย ปัญหาพุ่งออกมาจากอีกด้านหนึ่ง - ในตอนแรกนักวิทยาศาสตร์สับสนในการคำนวณพลังงานของคลื่นความร้อนและค้นพบแนวคิดของควอนต้า (อย่าลืมอ่านเกี่ยวกับเรื่องนี้ในหัวข้อที่เกี่ยวข้องของเรา "") จากนั้น ด้วยความช่วยเหลือของควอนตัมเดียวกันนี้ ไอน์สไตน์โจมตีฟิสิกส์ โดยอธิบายปรากฏการณ์ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กตริก
โดยสรุป: เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก (ผลที่ตามมาประการหนึ่งคือการเปิดรับแสงฟิล์ม) คือการที่อิเล็กตรอนหลุดออกจากพื้นผิวของวัสดุบางชนิดด้วยแสง ในทางเทคนิคแล้ว การกระแทกนี้เกิดขึ้นราวกับว่าแสงเป็นอนุภาค ไอน์สไตน์เรียกอนุภาคของแสงว่าควอนตัมแสง และต่อมาได้ชื่อว่าโฟตอน
ในปี 1920 เอฟเฟกต์คอมป์ตันที่น่าทึ่งได้ถูกเพิ่มเข้าไปในทฤษฎีต่อต้านคลื่นของแสง: เมื่ออิเล็กตรอนถูกโจมตีด้วยโฟตอน โฟตอนจะกระเด้งออกจากอิเล็กตรอนโดยสูญเสียพลังงาน (เรา "ยิง" เป็นสีน้ำเงิน แต่อันสีแดงบินได้ ปิด) เหมือนลูกบิลเลียดจากที่อื่น คอมป์ตันได้รับรางวัลโนเบลจากเรื่องนี้
คราวนี้ นักฟิสิกส์ระวังที่จะละทิ้งธรรมชาติของคลื่นแสง แต่กลับคิดหนักแทน วิทยาศาสตร์ต้องเผชิญกับความลึกลับอันน่าสะพรึงกลัว: แสงเป็นคลื่นหรืออนุภาค?
แสงก็มีความถี่เช่นเดียวกับคลื่นอื่นๆ ซึ่งง่ายต่อการตรวจสอบ เราเห็นสีที่แตกต่างกันเพราะแต่ละสีเป็นเพียงความถี่ที่แตกต่างกันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) สีแดงคือความถี่ต่ำ สีม่วงคือความถี่สูง
แต่มันน่าทึ่งมาก: ความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นนั้นใหญ่กว่าอะตอมถึงห้าพันเท่า - "สิ่งนั้น" จะพอดีกับอะตอมได้อย่างไรเมื่ออะตอมดูดซับคลื่นนี้ หากเพียงโฟตอนเท่านั้นที่เป็นอนุภาคที่มีขนาดเทียบเคียงกับอะตอมได้ โฟตอนมีทั้งใหญ่และเล็กในเวลาเดียวกันหรือไม่?
นอกจากนี้ เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกและเอฟเฟกต์คอมป์ตันพิสูจน์ให้เห็นอย่างชัดเจนว่าแสงยังคงเป็นกระแสของอนุภาค ไม่สามารถอธิบายได้ว่าคลื่นถ่ายโอนพลังงานไปยังอิเล็กตรอนที่อยู่ในอวกาศได้อย่างไร - หากแสงเป็นคลื่น อิเล็กตรอนบางตัวก็จะถูกกระแทกออกไปในภายหลัง กว่าคนอื่นๆ และปรากฏการณ์นี้ เราจะไม่สังเกตเห็นผลกระทบจากโฟโตอิเล็กทริค แต่ในกรณีของการไหล โฟตอนตัวเดียวจะชนกับอิเล็กตรอนตัวเดียว และผลักมันออกจากอะตอมภายใต้เงื่อนไขบางประการ
เป็นผลให้มีการตัดสินใจ: แสงเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค หรือค่อนข้างไม่ใช่อย่างใดอย่างหนึ่ง แต่เป็นรูปแบบการดำรงอยู่ของสสารรูปแบบใหม่ที่ไม่รู้จักก่อนหน้านี้: ปรากฏการณ์ที่เราสังเกตเห็นเป็นเพียงการฉายภาพหรือเงาของสถานการณ์ที่แท้จริง ขึ้นอยู่กับว่าคุณมองสิ่งที่เกิดขึ้นอย่างไร เมื่อเราดูเงาทรงกระบอกที่ส่องสว่างจากด้านหนึ่ง เราจะเห็นวงกลม และเมื่อส่องสว่างจากอีกด้านหนึ่งเราจะเห็นเงาสี่เหลี่ยม เช่นเดียวกับการแสดงแสงเป็นคลื่นอนุภาค
แต่ที่นี่ทุกอย่างก็ไม่ง่ายเลย เราไม่สามารถพูดได้ว่าเราถือว่าแสงเป็นคลื่นหรือกระแสอนุภาค มองออกไปนอกหน้าต่าง. ทันใดนั้น แม้แต่ในกระจกที่ล้างสะอาด เราก็มองเห็นเงาสะท้อนของเราเอง แม้ว่าจะพร่ามัวก็ตาม จับอะไร? หากแสงคือคลื่น ก็เป็นเรื่องง่ายที่จะอธิบายการสะท้อนในหน้าต่าง เราจะเห็นผลที่คล้ายกันกับน้ำเมื่อคลื่นสะท้อนจากสิ่งกีดขวาง แต่หากแสงเป็นกระแสอนุภาค การสะท้อนก็ไม่สามารถอธิบายได้ง่ายนัก ท้ายที่สุดโฟตอนทั้งหมดก็เหมือนกัน อย่างไรก็ตามหากเหมือนกันทั้งหมด สิ่งกีดขวางในรูปแบบของกระจกหน้าต่างก็ควรจะมีผลเช่นเดียวกัน ไม่ว่าพวกมันทั้งหมดจะทะลุกระจกหรือสะท้อนออกมาทั้งหมด แต่ในความเป็นจริงอันโหดร้าย โฟตอนบางส่วนบินผ่านกระจก และเราเห็นบ้านข้างเคียง และเห็นภาพสะท้อนของเราทันที
และคำอธิบายเดียวที่อยู่ในใจ: โฟตอนเป็นของตัวเอง เป็นไปไม่ได้ที่จะทำนายด้วยความน่าจะเป็นร้อยเปอร์เซ็นต์ว่าโฟตอนจะมีพฤติกรรมอย่างไร - ไม่ว่ามันจะชนกับแก้วเป็นอนุภาคหรือเป็นคลื่นก็ตาม นี่คือพื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัม - พฤติกรรมสุ่มอย่างสมบูรณ์ของสสารในระดับจุลภาคโดยไม่มีเหตุผลใด ๆ (และในโลกของเราที่มีปริมาณมากเรารู้จากประสบการณ์ว่าทุกสิ่งมีเหตุผล) นี่คือเครื่องสร้างตัวเลขสุ่มที่สมบูรณ์แบบ ไม่เหมือนการโยนเหรียญ
ไอน์สไตน์ผู้เก่งกาจผู้ค้นพบโฟตอนเชื่อมั่นจวบจนวาระสุดท้ายของเขาว่าฟิสิกส์ควอนตัมนั้นผิด และรับรองกับทุกคนว่า "พระเจ้าไม่เล่นลูกเต๋า" แต่วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ยืนยันมากขึ้นเรื่อยๆ ว่ามันเล่นได้
ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง วันหนึ่งนักวิทยาศาสตร์ตัดสินใจที่จะยุติการอภิปรายเรื่อง "คลื่นหรืออนุภาค" และจำลองประสบการณ์ของจุงโดยคำนึงถึงเทคโนโลยีแห่งศตวรรษที่ 20 มาถึงตอนนี้ พวกเขาได้เรียนรู้ที่จะยิงโฟตอนทีละครั้ง (เครื่องกำเนิดควอนตัมซึ่งเป็นที่รู้จักในหมู่ประชากรว่า "เลเซอร์") ดังนั้นจึงมีการตัดสินใจที่จะตรวจสอบว่าจะเกิดอะไรขึ้นบนหน้าจอหากมีคนยิงอนุภาคหนึ่งอนุภาคที่ช่องสองช่อง: ในที่สุดมันก็ชัดเจน อะไรคือสิ่งสำคัญภายใต้เงื่อนไขการทดลองที่มีการควบคุม
และทันใดนั้น - แสงควอนตัมเดียว (โฟตอน) แสดงรูปแบบการรบกวนนั่นคืออนุภาคบินผ่านช่องทั้งสองในเวลาเดียวกันโฟตอนแทรกแซงตัวเอง (ในแง่วิทยาศาสตร์) มาชี้แจงประเด็นทางเทคนิคกัน - อันที่จริง ภาพการรบกวนไม่ได้แสดงด้วยโฟตอนเดียว แต่โดยการถ่ายภาพต่อเนื่องกันที่อนุภาคเดียวในช่วงเวลา 10 วินาที - เมื่อเวลาผ่านไป ขอบของ Young ซึ่งคุ้นเคยกับนักเรียน C ทุกคนตั้งแต่ปี 1801 ปรากฏบน หน้าจอ.
จากมุมมองของคลื่น นี่เป็นตรรกะ - คลื่นผ่านรอยแตกและตอนนี้คลื่นใหม่สองลูกแยกออกไปในวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกันโดยทับซ้อนกัน
แต่จากมุมมองของร่างกาย ปรากฎว่าโฟตอนอยู่ในสองแห่งในเวลาเดียวกันเมื่อมันผ่านรอยกรีด และหลังจากผ่านเข้าไปก็จะผสมกับตัวมันเอง นี่เป็นเรื่องปกติโดยทั่วไปใช่ไหม?
ปรากฎว่ามันเป็นเรื่องปกติ ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากโฟตอนมีรอยกรีดสองอันพร้อมกัน หมายความว่ามันอยู่พร้อมๆ กันทุกที่ทั้งก่อนกรีดและหลังจากบินผ่านพวกมัน และโดยทั่วไป จากมุมมองของฟิสิกส์ควอนตัม โฟตอนที่ปล่อยออกมาระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดจะพร้อมกัน “ทุกที่และในคราวเดียว” นักฟิสิกส์เรียกการค้นพบอนุภาคดังกล่าวว่า "ทุกที่ในคราวเดียว" ซึ่งเป็นคำที่น่ากลัวซึ่งเคยเป็นการผ่อนคลายทางคณิตศาสตร์ แต่ปัจจุบันกลายเป็นความจริงทางกายภาพแล้ว
อี. ชเรอดิงเงอร์ผู้ต่อต้านฟิสิกส์ควอนตัมที่รู้จักกันดีในเวลานี้ ได้ขุดสูตรที่อธิบายคุณสมบัติคลื่นของสสาร เช่น น้ำ ไว้ที่ไหนสักแห่ง และหลังจากแก้ไขมันเล็กน้อย ฉันก็ตกใจมาก ฉันก็อนุมานสิ่งที่เรียกว่าฟังก์ชันคลื่นได้ ฟังก์ชันนี้แสดงความน่าจะเป็นในการค้นหาโฟตอนในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง โปรดทราบว่านี่คือความน่าจะเป็น ไม่ใช่ตำแหน่งที่แน่นอน และความน่าจะเป็นนี้ขึ้นอยู่กับกำลังสองของความสูงของยอดคลื่นควอนตัม ณ ตำแหน่งที่กำหนด (หากใครสนใจในรายละเอียด)
เราจะอุทิศบทแยกต่างหากในประเด็นการวัดตำแหน่งของอนุภาค
การค้นพบเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าสิ่งต่าง ๆ ที่มีความเป็นทวินิยมนั้นเลวร้ายและลึกลับยิ่งกว่าเดิม
ในปี 1924 Louis de Broglie คนหนึ่งกล่าวว่าคุณสมบัติทางร่างกายของคลื่นของแสงคือส่วนยอดของภูเขาน้ำแข็ง และอนุภาคมูลฐานทั้งหมดก็มีคุณสมบัติที่ไม่อาจเข้าใจได้นี้
กล่าวคือ อนุภาคและคลื่นในเวลาเดียวกันไม่ได้เป็นเพียงอนุภาคของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (โฟตอน) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงอนุภาคจริงด้วย เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน เป็นต้น สสารรอบตัวเราในระดับจุลภาคคือคลื่น(และอนุภาคในเวลาเดียวกัน)
และสองสามปีต่อมา สิ่งนี้ได้รับการยืนยันด้วยการทดลอง - ชาวอเมริกันขับอิเล็กตรอนในหลอดรังสีแคโทด (ซึ่งรู้จักกันในตดเก่า ๆ ในปัจจุบันภายใต้ชื่อ "ไคเนสสโคป") - ดังนั้นการสังเกตที่เกี่ยวข้องกับการสะท้อนของอิเล็กตรอนจึงยืนยันว่าอิเล็กตรอน ก็เป็นคลื่นด้วย (เพื่อความสะดวกในการทำความเข้าใจ อาจกล่าวได้ว่า พวกเขาวางแผ่นที่มีรอยกรีดสองช่องในเส้นทางของอิเล็กตรอนและเห็นการรบกวนของอิเล็กตรอนตามที่เป็นอยู่)
จนถึงปัจจุบัน การทดลองได้ค้นพบว่าอะตอมก็มีคุณสมบัติเป็นคลื่นเช่นกัน และแม้แต่โมเลกุลพิเศษบางประเภท (ที่เรียกว่า "ฟูลเลอรีน") ก็ปรากฏเป็นคลื่นด้วย
จิตใจที่อยากรู้อยากเห็นของผู้อ่านที่ยังไม่ตกตะลึงกับเรื่องราวของเราจะถามว่าถ้าสสารเป็นคลื่นแล้วทำไมตัวอย่างเช่นทำไมลูกบอลที่บินไม่ได้ถูกป้ายในอวกาศในรูปของคลื่น? เหตุใดเครื่องบินไอพ่นจึงไม่มีลักษณะคล้ายคลื่นเลย แต่คล้ายกับเครื่องบินไอพ่นมาก
ปีศาจ De Broglie อธิบายทุกอย่างที่นี่: ใช่ ลูกบอลบินหรือโบอิ้งก็เป็นคลื่นเช่นกัน แต่ความยาวของคลื่นนี้สั้นกว่า แรงกระตุ้นก็จะยิ่งมากขึ้น โมเมนตัมคือมวลคูณความเร็ว กล่าวคือ ยิ่งมีมวลของสสารมากเท่าใด ความยาวคลื่นก็จะสั้นลงเท่านั้น ความยาวคลื่นของลูกบอลที่บินด้วยความเร็ว 150 กม./ชม. จะอยู่ที่ประมาณ 0.00 เมตร ดังนั้นเราจึงไม่สามารถสังเกตได้ว่าลูกบอลกระจายไปทั่วอวกาศในลักษณะคลื่นอย่างไร สำหรับเรามันเป็นเรื่องของแข็ง
อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่เบามากและบินด้วยความเร็ว 6,000 กม./วินาที จะมีความยาวคลื่นที่สังเกตได้ 0.0000000001 เมตร
อย่างไรก็ตาม เราจะตอบคำถามทันทีว่าทำไมนิวเคลียสของอะตอมจึงไม่ "เหมือนคลื่น" แม้ว่ามันจะตั้งอยู่ในใจกลางของอะตอม ซึ่งเป็นบริเวณที่อิเล็กตรอนบินอย่างบ้าคลั่งและในเวลาเดียวกันก็มีรอยเปื้อน แต่ก็มีโมเมนตัมที่เหมาะสมที่เกี่ยวข้องกับมวลของโปรตอนและนิวตรอน เช่นเดียวกับการสั่น (ความเร็ว) ความถี่สูงอันเนื่องมาจาก ต่อการมีอยู่ของการแลกเปลี่ยนอนุภาคอย่างต่อเนื่องภายในปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งของนิวเคลียส (อ่านหัวข้อ) ดังนั้นแกนกลางจึงเหมือนกับสสารแข็งที่เราคุ้นเคยมากกว่า เห็นได้ชัดว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคเพียงชนิดเดียวที่มีมวลที่แสดงคุณสมบัติของคลื่นได้อย่างชัดเจน ดังนั้นทุกคนจึงศึกษามันด้วยความยินดี
กลับมาที่อนุภาคของเรากัน ปรากฎว่า: อิเล็กตรอนที่หมุนรอบอะตอมนั้นเป็นทั้งอนุภาคและคลื่น นั่นคืออนุภาคหมุนและในเวลาเดียวกันอิเล็กตรอนในฐานะคลื่นแสดงถึงเปลือกที่มีรูปร่างบางอย่างรอบนิวเคลียส - สมองของมนุษย์จะเข้าใจสิ่งนี้ได้อย่างไร?
เราได้คำนวณไว้ข้างต้นแล้วว่าอิเล็กตรอนที่บินมีความยาวคลื่นค่อนข้างมาก (สำหรับพิภพเล็ก) และเพื่อที่จะให้พอดีกับนิวเคลียสของอะตอม คลื่นดังกล่าวจำเป็นต้องมีพื้นที่จำนวนมากอย่างไม่เหมาะสม นี่คือสิ่งที่อธิบายอะตอมขนาดใหญ่ได้อย่างแม่นยำเมื่อเปรียบเทียบกับนิวเคลียส ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนจะกำหนดขนาดของอะตอม ช่องว่างระหว่างนิวเคลียสและพื้นผิวของอะตอมนั้นเต็มไปด้วย "การรองรับ" ของความยาวคลื่น (และอนุภาคในเวลาเดียวกัน) ของอิเล็กตรอน นี่เป็นคำอธิบายที่หยาบคายและไม่ถูกต้อง - โปรดยกโทษให้เราด้วย - ในความเป็นจริงทุกอย่างซับซ้อนกว่ามาก แต่เป้าหมายของเราคืออย่างน้อยให้ผู้ที่สนใจในเรื่องทั้งหมดนี้แทะหินแกรนิตชิ้นหนึ่งทางวิทยาศาสตร์
ให้ชัดเจนอีกครั้ง!หลังจากแสดงความคิดเห็นในบทความ [ใน YP] เราก็ได้ตระหนักว่าบทความนี้ขาดประเด็นสำคัญอะไรไป ความสนใจ! รูปแบบของสสารที่เราอธิบายไม่ใช่ทั้งคลื่นหรืออนุภาค มีเพียง (พร้อมกัน) เท่านั้นที่มีคุณสมบัติของคลื่นและคุณสมบัติของอนุภาค ไม่สามารถพูดได้ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นอิเล็กตรอนเปรียบเสมือนคลื่นทะเลหรือคลื่นเสียง คลื่นที่เราคุ้นเคยเป็นตัวแทนของการแพร่กระจายของการรบกวนในอวกาศที่เต็มไปด้วยสสารบางอย่าง
โฟตอน อิเล็กตรอน และตัวอย่างอื่นๆ ของพิภพเล็ก ๆ เมื่อเคลื่อนที่ในอวกาศสามารถอธิบายได้ด้วยสมการคลื่น พฤติกรรมของพวกมันจะคล้ายกับคลื่นเท่านั้น แต่ไม่ว่าในกรณีใดพวกมันจะเป็นคลื่น มันคล้ายกับโครงสร้างร่างกายของสสาร: พฤติกรรมของอนุภาคนั้นคล้ายกับการบินของลูกบอลจุดเล็ก ๆ แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ลูกบอลเลย
สิ่งนี้จะต้องเข้าใจและยอมรับ ไม่เช่นนั้นความคิดทั้งหมดของเราจะนำไปสู่การค้นหาสิ่งที่คล้ายคลึงกันในจักรวาลมหภาคในที่สุด และด้วยเหตุนี้ความเข้าใจในฟิสิกส์ควอนตัมก็จะสิ้นสุดลง และลัทธินักบวชหรือปรัชญาหลอกลวงก็จะเริ่มต้นขึ้น เช่น เวทมนตร์ควอนตัมและวัตถุนิยม ของความคิด
เราจะพิจารณาข้อสรุปที่น่าสะพรึงกลัวที่เหลืออยู่และผลที่ตามมาของการทดลองที่ทันสมัยของจุงในภายหลังในส่วนถัดไป - ความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก แมวของชโรดิงเงอร์ หลักการกีดกันของเพาลี และการพัวพันกับควอนตัมกำลังรอผู้ป่วยและผู้อ่านที่มีน้ำใจซึ่งจะอ่านบทความของเราซ้ำมากกว่าหนึ่งครั้งและค้นหา ผ่านทางอินเทอร์เน็ตเพื่อค้นหาข้อมูลเพิ่มเติม
ขอขอบคุณทุกท่านที่ให้ความสนใจ มีความสุขกับการนอนไม่หลับหรือฝันร้ายทางปัญญาสำหรับทุกคน!
หมายเหตุ: เราขอเตือนคุณอย่างเต็มที่ว่าภาพทั้งหมดนำมาจาก Google (ค้นหาจากภาพ) - จะมีการตัดสินผู้แต่งที่นั่น
การคัดลอกข้อความที่ผิดกฎหมายจะถูกดำเนินคดี ระงับ คุณก็รู้..
39. ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของคุณสมบัติของสสาร
ทวินิยมของคลื่นอนุภาคและคุณสมบัติของรังสี EM ซึ่งหมายความว่าธรรมชาติของแสงสามารถพิจารณาได้จากสองด้าน: ในด้านหนึ่งคือคลื่นซึ่งคุณสมบัติดังกล่าวแสดงออกมาในกฎของการแพร่กระจายของแสง การรบกวน การเลี้ยวเบน โพลาไรซ์ ในทางกลับกัน แสงคือกระแสของอนุภาคที่มีพลังงานและโมเมนตัม คุณสมบัติทางร่างกายของแสงแสดงให้เห็นในกระบวนการปฏิสัมพันธ์ของแสงกับสสาร (เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก, เอฟเฟกต์คอมป์ตัน)
จากการวิเคราะห์ เราจะเข้าใจได้ว่ายิ่งความยาวคลื่น l ยิ่งพลังงานต่ำ (จาก E = hс/l) โมเมนตัมก็จะยิ่งน้อยลง การตรวจจับคุณสมบัติควอนตัมของแสงก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น
ยิ่ง l => พลังงาน E ของโฟตอนยิ่งมากขึ้น การตรวจจับคุณสมบัติคลื่นของแสงก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น
ความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติคลื่นอนุภาคคู่ของแสงสามารถอธิบายได้หากใช้วิธีการทางสถิติเพื่อพิจารณารูปแบบของการกระจายแสง
ตัวอย่างเช่น การเลี้ยวเบนของแสงด้วยกรีด: เมื่อแสงผ่านกรีด โฟตอนจะถูกกระจายใหม่ในอวกาศ เนื่องจากความน่าจะเป็นที่โฟตอนจะชนจุดต่างๆ บนหน้าจอไม่เท่ากัน รูปแบบการเลี้ยวเบนจึงปรากฏขึ้น การส่องสว่างของหน้าจอ (จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบ) เป็นสัดส่วนกับความน่าจะเป็นที่โฟตอนจะชนจุดนี้ ในทางกลับกัน การส่องสว่างบนหน้าจอจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูดคลื่น I~E 2 ดังนั้น กำลังสองของความกว้างของคลื่นแสงที่จุดที่กำหนดในอวกาศจึงเป็นการวัดความน่าจะเป็นที่โฟตอนจะชนจุดนั้นในอวกาศ
44. สมการชโรดิงเงอร์สำหรับสถานะนิ่ง
สมการ (217.5) เรียกว่าสมการชโรดิงเงอร์สำหรับสภาวะนิ่งสมการนี้รวมพลังงานทั้งหมดเป็นพารามิเตอร์ อีอนุภาค ในทฤษฎีสมการเชิงอนุพันธ์ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสมการดังกล่าวมีจำนวนคำตอบไม่สิ้นสุด ซึ่งคำตอบที่มีความหมายทางกายภาพจะถูกเลือกโดยการกำหนดเงื่อนไขขอบเขต สำหรับสมการชโรดิงเงอร์ เงื่อนไขดังกล่าวคือเงื่อนไขสำหรับความสม่ำเสมอของฟังก์ชันคลื่น ฟังก์ชันคลื่นจะต้องมีจำกัด เป็นค่าเดียว และต่อเนื่องพร้อมกับอนุพันธ์อันดับหนึ่ง ดังนั้นเฉพาะโซลูชันที่แสดงโดยฟังก์ชันปกติเท่านั้นที่มีความหมายทางกายภาพที่แท้จริง แต่โซลูชันปกติจะไม่เกิดขึ้นกับค่าใด ๆ ของพารามิเตอร์ อี, เอเฉพาะบางชุดเท่านั้นซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของงานที่กำหนด ค่าพลังงานเหล่านี้เรียกว่า เป็นเจ้าของ.โซลูชั่นที่สอดคล้อง เป็นเจ้าของเรียกว่าค่าพลังงาน ฟังก์ชั่นของตัวเองค่าลักษณะเฉพาะ อีสามารถสร้างเป็นอนุกรมต่อเนื่องหรือต่อเนื่องกันก็ได้ ในกรณีแรกที่เราพูดถึง ต่อเนื่อง,หรือ สเปกตรัมต่อเนื่องในครั้งที่สอง - เกี่ยวกับสเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่อง
40. คลื่น De Broglie และคุณสมบัติของมัน
De Broglie แย้งว่าไม่เพียงแต่โฟตอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่น ๆ ของสสาร รวมไปถึงวัตถุที่เป็นคอร์ปัสสวะด้วย ก็มีคุณสมบัติของคลื่นเช่นกัน ดังนั้นตามคำกล่าวของ de Broglie ด้วย วัตถุขนาดเล็กแต่ละชิ้นเชื่อมโยงกันในด้านหนึ่ง กล้ามเนื้อลักษณะ - พลังงาน อีและโมเมนตัม อาร์และอีกอัน - ลักษณะของคลื่น- ความถี่ v และความยาวคลื่น ถึง.ความสัมพันธ์เชิงปริมาณที่เชื่อมต่อคุณสมบัติทางร่างกายและคลื่นของอนุภาคจะเหมือนกับโฟตอน: อี= hv, พี= ชม./ . (213.1) ความกล้าหาญของสมมติฐานของเดอ บรอกลีวางอยู่บนข้อเท็จจริงที่ว่าความสัมพันธ์ (213.1) ไม่เพียงแต่ถูกตั้งสมมุติฐานสำหรับโฟตอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ ด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอนุภาคที่มีมวลนิ่ง ดังนั้นอนุภาคใดๆ ที่มีโมเมนตัมจะสัมพันธ์กับกระบวนการคลื่นโดยกำหนดความยาวคลื่นไว้ ตามสูตรของเดอ บรอกลี: = ชม./ พี. (213.2) ความสัมพันธ์นี้ใช้ได้กับอนุภาคใดๆ ที่มีโมเมนตัม ร.ในไม่ช้าสมมติฐานของเดอ บรอกลีก็ได้รับการยืนยันจากการทดลอง (K. Davisson, L. Germer) ค้นพบว่าลำแสงอิเล็กตรอนที่กระจัดกระจายจากตะแกรงการเลี้ยวเบนตามธรรมชาติ ซึ่งเป็นผลึกนิกเกิล ให้รูปแบบการเลี้ยวเบนที่ชัดเจน ค่าสูงสุดของการเลี้ยวเบนสอดคล้องกับสูตร Wulff-Bragg (182.1) และความยาวคลื่นของ Bragg กลับกลายเป็นว่าเท่ากับความยาวคลื่นที่คำนวณโดยใช้สูตร (213.2) ทุกประการ ต่อมา สูตรของเดอ บรอกลีได้รับการยืนยันโดยการทดลองของ P. S. Tartakovsky และ G. Thomson ซึ่งสังเกตรูปแบบการเลี้ยวเบนเมื่อลำแสงอิเล็กตรอนเร็ว (พลังงาน 50 keV) ผ่านฟอยล์โลหะ (ความหนา 1 μm) เนื่องจากมีการศึกษารูปแบบการเลี้ยวเบนของการไหลของอิเล็กตรอน จึงจำเป็นต้องพิสูจน์ว่าคุณสมบัติของคลื่นนั้นไม่เพียงมีอยู่ในการไหลของอิเล็กตรอนกลุ่มใหญ่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงอิเล็กตรอนแต่ละตัวแยกกันด้วย สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองในปี 1948 โดยนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต V. A. Fabrikant (เกิดปี 1907) เขาแสดงให้เห็นว่าแม้ในกรณีของลำแสงอิเล็กตรอนที่อ่อนแอเช่นนี้ เมื่ออิเล็กตรอนแต่ละตัวผ่านอุปกรณ์โดยไม่แยกจากกัน (ช่วงเวลาระหว่างอิเล็กตรอนสองตัวจะนานกว่าเวลาที่อิเล็กตรอนผ่านอุปกรณ์ 10 4 เท่า) รูปแบบการเลี้ยวเบนที่เกิดขึ้นระหว่างการเปิดรับแสงนานไม่แตกต่างจากรูปแบบการเลี้ยวเบนที่ได้รับจากการเปิดรับแสงอิเล็กตรอนสั้น ๆ ซึ่งมีความเข้มข้นมากกว่าหลายสิบล้านเท่า ดังนั้นคุณสมบัติคลื่นของอนุภาคจึงไม่ใช่คุณสมบัติของส่วนรวม แต่มีอยู่ในแต่ละอนุภาคแยกกัน ต่อมายังค้นพบปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนของนิวตรอน โปรตอน คานอะตอมและโมเลกุลอีกด้วย การพิสูจน์การทดลองของการมีอยู่ของคุณสมบัติคลื่นของอนุภาคขนาดเล็กนำไปสู่ข้อสรุปว่าเรามีปรากฏการณ์สากลต่อหน้าเราซึ่งเป็นคุณสมบัติทั่วไปของสสาร แต่คุณสมบัติของคลื่นก็ต้องมีอยู่ในวัตถุที่มองเห็นด้วยตาเปล่าด้วย เหตุใดจึงไม่ถูกค้นพบโดยการทดลอง? ตัวอย่างเช่น อนุภาคที่มีมวล 1 กรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 เมตรต่อวินาที สอดคล้องกับคลื่นเดอบรอกลีที่มี 6.62 · 10 -31 เมตร ความยาวคลื่นนี้อยู่นอกบริเวณที่สังเกตได้ (โครงสร้างเป็นคาบที่มีคาบ d10 -31 m ไม่มีอยู่) ดังนั้นจึงเชื่อกันว่าวัตถุที่มองเห็นด้วยตาเปล่าจะแสดงคุณสมบัติเพียงด้านเดียวเท่านั้น นั่นคือ คอร์กล้ามเนื้อ และจะไม่แสดงคลื่น แนวคิดเกี่ยวกับธรรมชาติของอนุภาคของคลื่นคู่ของอนุภาคนั้นลึกซึ้งยิ่งขึ้นจากข้อเท็จจริงที่ว่าการเชื่อมต่อระหว่างพลังงานทั้งหมดของอนุภาคถูกถ่ายโอนไปยังอนุภาคของสสาร ชและความถี่ v ของคลื่นเดอบรอกลี: e=hv (213.3) แสดงว่าความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและความถี่ในสูตร (213.3) มีลักษณะเป็น อัตราส่วนสากลใช้ได้กับทั้งโฟตอนและอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ ความถูกต้องของความสัมพันธ์ (213.3) เป็นไปตามข้อตกลงกับประสบการณ์ของผลลัพธ์ทางทฤษฎีที่ได้รับจากความช่วยเหลือในกลศาสตร์ควอนตัม ฟิสิกส์อะตอมและนิวเคลียร์ สมมติฐานที่ได้รับการยืนยันจากการทดลองของ De Broglie เกี่ยวกับความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของคุณสมบัติของสสารได้เปลี่ยนความคิดเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัตถุขนาดเล็กอย่างรุนแรง วัตถุขนาดเล็กทั้งหมดมีทั้งคุณสมบัติทางร่างกายและคลื่น ในเวลาเดียวกัน อนุภาคขนาดเล็กใดๆ ไม่สามารถถือเป็นอนุภาคหรือคลื่นในความหมายดั้งเดิมได้ การตีความสมัยใหม่ของความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาคสามารถแสดงออกได้ในคำพูดของนักฟิสิกส์ทฤษฎีโซเวียต V. A. Fock (2441-2517): “ เราสามารถพูดได้ว่าสำหรับวัตถุปรมาณูมีโอกาสที่จะปรากฏตัวขึ้นอยู่กับเงื่อนไขภายนอก ไม่ว่าจะเป็นคลื่นหรือเป็นอนุภาคหรือเป็นสื่อกลาง มันอยู่ในนี้ โอกาสที่เป็นไปได้การแสดงคุณสมบัติต่าง ๆ ที่มีอยู่ในวัตถุขนาดเล็กนั้นประกอบขึ้นเป็นทวินิยมของอนุภาคคลื่น ความเข้าใจอื่นใดที่ตรงตามความเป็นจริงมากขึ้นเกี่ยวกับทวินิยมนี้ในรูปแบบของแบบจำลองบางประเภทนั้นไม่ถูกต้อง”
การแนะนำ
ทฤษฎีแสงสองทฤษฎีถูกหยิบยกมาเกือบจะพร้อมกัน: ทฤษฎีเกี่ยวกับร่างกายของนิวตัน และทฤษฎีคลื่นของฮอยเกนส์
ตามทฤษฎีเกี่ยวกับคอร์ปัสเคิลหรือทฤษฎีการไหลออก ที่นิวตันเสนอไว้เมื่อปลายศตวรรษที่ 17 วัตถุที่ส่องสว่างจะปล่อยอนุภาคเล็กๆ (คอร์ปัสเคิล) ที่บินตรงไปทุกทิศทาง และเมื่อเข้าสู่ดวงตา จะทำให้เกิดความรู้สึกของแสง .
ตามทฤษฎีคลื่น วัตถุที่ส่องสว่างทำให้เกิดการสั่นสะเทือนแบบยืดหยุ่นในตัวกลางพิเศษที่เติมเต็มพื้นที่จักรวาลทั้งหมด - อีเทอร์โลก - ซึ่งแพร่กระจายในอีเธอร์เหมือนกับคลื่นเสียงในอากาศ
ในสมัยของนิวตันและฮอยเกนส์ นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ปฏิบัติตามทฤษฎีเกี่ยวกับร่างกายของนิวตัน ซึ่งอธิบายปรากฏการณ์ทางแสงทั้งหมดที่ทราบในขณะนั้นได้ค่อนข้างน่าพอใจ การสะท้อนของแสงได้รับการอธิบายคล้ายกับการสะท้อนของวัตถุที่ยืดหยุ่นเมื่อกระทบกับระนาบ การหักเหของแสงอธิบายได้ด้วยการกระทำของแรงดึงดูดขนาดใหญ่บนคอร์ปัสเคิลจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากขึ้น ภายใต้อิทธิพลของกองกำลังเหล่านี้ซึ่งแสดงออกมาตามทฤษฎีของนิวตันเมื่อเข้าใกล้ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากขึ้น คลังแสงจะได้รับความเร่งที่ตั้งฉากกับขอบเขตของตัวกลางนี้ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่พวกมันเปลี่ยนทิศทางของการเคลื่อนที่และที่ ในเวลาเดียวกันก็เพิ่มความเร็วขึ้น ปรากฏการณ์แสงอื่นๆ ได้รับการอธิบายในทำนองเดียวกัน
ต่อมาข้อสังเกตใหม่ที่ปรากฏไม่สอดคล้องกับกรอบของทฤษฎีนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความไม่สอดคล้องกันของทฤษฎีนี้ถูกค้นพบเมื่อมีการวัดความเร็วการแพร่กระจายของแสงในน้ำ ปรากฎว่าไม่มาก แต่น้อยกว่าในอากาศ
ในตอนต้นของศตวรรษที่ 19 ทฤษฎีคลื่นของฮอยเกนส์ ซึ่งไม่ได้รับการยอมรับจากคนรุ่นเดียวกันของเขา ได้รับการพัฒนาและปรับปรุงโดย Young และ Fresnel และได้รับการยอมรับในระดับสากล ในช่วงทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ผ่านมา หลังจากที่แมกซ์เวลล์พัฒนาทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฎว่าแสงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นทฤษฎีกลศาสตร์คลื่นของแสงจึงถูกแทนที่ด้วยทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่น คลื่นแสง (สเปกตรัมที่มองเห็นได้) อยู่ในช่วง 0.4–0.7 µm ในระดับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทฤษฎีคลื่นแสงของแมกซ์เวลล์ซึ่งถือว่ารังสีเป็นกระบวนการต่อเนื่อง ไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางแสงที่เพิ่งค้นพบบางส่วนได้ เสริมด้วยทฤษฎีควอนตัมของแสง ซึ่งพลังงานของคลื่นแสงถูกปล่อยออกมา กระจาย และดูดซับไม่ต่อเนื่อง แต่ในบางส่วน - ควอนตัมแสงหรือโฟตอน - ซึ่งขึ้นอยู่กับความยาวของคลื่นแสงเท่านั้น ดังนั้น ตามแนวคิดสมัยใหม่ แสงจึงมีทั้งคุณสมบัติของคลื่นและรูปร่าง
การรบกวนของแสง
คลื่นที่ทำให้เกิดการสั่น ณ ทุกจุดในอวกาศโดยมีความต่างเฟสซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาเรียกว่าคลื่นต่อเนื่อง ความแตกต่างของเฟสในกรณีนี้มีค่าคงที่ แต่โดยทั่วไปแล้ว ค่าที่แตกต่างกันสำหรับจุดต่างๆ ในอวกาศ เห็นได้ชัดว่ามีเพียงคลื่นความถี่เดียวกันเท่านั้นที่สามารถเชื่อมโยงกันได้
เมื่อคลื่นที่ต่อเนื่องกันหลายคลื่นแพร่กระจายในอวกาศ การแกว่งที่เกิดจากคลื่นเหล่านี้จะเสริมกำลังซึ่งกันและกันในบางจุด และทำให้คลื่นอื่นอ่อนแรงซึ่งกันและกัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการรบกวนของคลื่น คลื่นที่มีลักษณะทางกายภาพสามารถรบกวนได้ เราจะดูการรบกวนของคลื่นแสง
แหล่งที่มาของคลื่นต่อเนื่องกันเรียกอีกอย่างว่าสอดคล้องกัน เมื่อพื้นผิวบางจุดได้รับแสงสว่างจากแหล่งกำเนิดแสงหลายแหล่งที่สอดคล้องกัน โดยทั่วไปแถบแสงสลับและสีเข้มจะปรากฏบนพื้นผิวนี้
แหล่งกำเนิดแสงที่แยกจากกันสองแหล่ง เช่น หลอดไฟฟ้าสองหลอด ไม่สอดคล้องกัน คลื่นแสงที่ปล่อยออกมาเป็นผลมาจากการเพิ่มคลื่นจำนวนมากที่ปล่อยออกมาจากแต่ละอะตอม การปล่อยคลื่นโดยอะตอมเกิดขึ้นแบบสุ่ม ดังนั้นจึงไม่มีความสัมพันธ์ที่คงที่ระหว่างเฟสของคลื่นที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดสองแห่ง
เมื่อพื้นผิวได้รับแสงสว่างจากแหล่งที่ไม่ต่อเนื่องกัน รูปแบบของแสงสลับและแถบสีเข้มที่มีลักษณะเฉพาะของการรบกวนจะไม่ปรากฏขึ้น การส่องสว่างในแต่ละจุดจะเท่ากับผลรวมของการส่องสว่างที่สร้างโดยแต่ละแหล่งแยกจากกัน
คลื่นที่ต่อเนื่องกันเกิดจากการแยกลำแสงจากแหล่งกำเนิดหนึ่งออกเป็นลำแสงที่แยกจากกันสองลำขึ้นไป
การรบกวนของแสงสามารถสังเกตได้เมื่อส่องสว่างแผ่นโปร่งใสที่มีความหนาต่างกัน โดยเฉพาะแผ่นรูปลิ่มที่มีรังสีเอกรงค์เดียว (สีเดียว) ตาของผู้สังเกตจะได้รับคลื่นที่สะท้อนจากพื้นผิวทั้งด้านหน้าและด้านหลังของแผ่น ผลลัพธ์ของการรบกวนจะถูกกำหนดโดยความแตกต่างในระยะของคลื่นเหล่านี้และคลื่นอื่น ๆ ซึ่งจะค่อยๆ เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของความหนา
บันทึก การส่องสว่างจะเปลี่ยนไปตามนั้น: หากความแตกต่างในเส้นทางของคลื่นรบกวน ณ จุดหนึ่งบนพื้นผิวของแผ่นเท่ากับจำนวนครึ่งคลื่นคู่ เมื่อถึงจุดนี้พื้นผิวจะปรากฏเป็นแสง หากเฟสต่างกัน เป็นเลขคี่ของครึ่งคลื่นก็จะดูมืดเมื่อแผ่นระนาบขนานถูกส่องสว่างด้วยลำแสงคู่ขนาน ความต่างเฟสของคลื่นแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวด้านหน้าและด้านหลังจะเท่ากันทุกจุด - แผ่นดังกล่าวจะส่องสว่างสม่ำเสมอ
รอบจุดสัมผัสของกระจกนูนเล็กน้อยกับกระจกแบนเมื่อส่องสว่างด้วยแสงเอกรงค์จะสังเกตเห็นวงแหวนสีเข้มและสว่าง - ที่เรียกว่าวงแหวนของนิวตัน ที่นี่ ชั้นอากาศที่บางที่สุดระหว่างกระจกทั้งสองข้างจะทำหน้าที่เป็นฟิล์มสะท้อนแสง ซึ่งมีความหนาคงที่ตามแนววงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน
การเลี้ยวเบนของแสง
คลื่นแสงจะไม่เปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตของด้านหน้าเมื่อแพร่กระจายในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกัน อย่างไรก็ตาม หากแสงแพร่กระจายในตัวกลางที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งมีฉากทึบแสง พื้นที่ว่างที่ดัชนีการหักเหของแสงเปลี่ยนแปลงค่อนข้างรวดเร็ว เป็นต้น ก็จะสังเกตเห็นการบิดเบือนของด้านหน้าคลื่น ในกรณีนี้ การกระจายความเข้มของคลื่นแสงจะเกิดขึ้นในอวกาศ ตัวอย่างเช่น เมื่อให้แสงสว่าง หน้าจอทึบแสงที่มีแหล่งกำเนิดแสงอยู่ที่ขอบเขตของเงา โดยที่ตามกฎหมายของทัศนศาสตร์เรขาคณิต ควรมีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันจากเงาไปสู่แสง แถบสีเข้มและสีอ่อนจำนวนหนึ่ง สังเกตได้ว่าแสงบางส่วนทะลุผ่านบริเวณเงาเรขาคณิต ปรากฏการณ์เหล่านี้เกี่ยวข้องกับการเลี้ยวเบนของแสง
ดังนั้น การเลี้ยวเบนของแสงในความหมายแคบคือปรากฏการณ์ของแสงที่โค้งงอรอบๆ รูปร่างของวัตถุที่ทึบแสง และแสงที่เข้าสู่บริเวณเงาเรขาคณิต ในความหมายกว้าง ๆ - การเบี่ยงเบนใด ๆ ในการแพร่กระจายของแสงจากกฎของเลนส์เรขาคณิต
คำจำกัดความของซอมเมอร์เฟลด์: การเลี้ยวเบนของแสงถือเป็นการเบี่ยงเบนใดๆ จากการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง หากไม่สามารถอธิบายได้อันเป็นผลมาจากการสะท้อน การหักเห หรือการโค้งงอของรังสีแสงในสื่อที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง
หากตัวกลางมีอนุภาคขนาดเล็ก (หมอก) หรือดัชนีการหักเหของแสงเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดตามระยะทางตามลำดับความยาวคลื่น ในกรณีนี้ เราจะพูดถึงการกระเจิงของแสงและจะไม่มีการใช้คำว่า "การเลี้ยวเบน"
การเลี้ยวเบนของแสงมีสองประเภท ด้วยการศึกษารูปแบบการเลี้ยวเบนที่จุดสังเกตการณ์ซึ่งอยู่ห่างจากสิ่งกีดขวางจำกัด เรากำลังเผชิญกับการเลี้ยวเบนของเฟรสเนล หากจุดสังเกตและแหล่งกำเนิดแสงอยู่ห่างจากสิ่งกีดขวางมากจนรังสีที่ตกกระทบกับสิ่งกีดขวางและรังสีที่ไปยังจุดสังเกตนั้นถือได้ว่าเป็นลำแสงคู่ขนาน จากนั้นเราจะพูดถึงการเลี้ยวเบนของรังสีคู่ขนาน - การเลี้ยวเบนของ Fraunhofer
ทฤษฎีการเลี้ยวเบนจะพิจารณากระบวนการของคลื่นในกรณีที่มีสิ่งกีดขวางในเส้นทางการแพร่กระจายของคลื่น
การใช้ทฤษฎีการเลี้ยวเบน ปัญหาต่างๆ เช่น การป้องกันเสียงรบกวนโดยใช้ฉากกันเสียง การแพร่กระจายของคลื่นวิทยุเหนือพื้นผิวโลก การทำงานของเครื่องมือวัดแสง (เนื่องจากภาพที่เลนส์ให้มาจะมีรูปแบบการเลี้ยวเบนเสมอ) การวัดคุณภาพพื้นผิว การศึกษาโครงสร้างของสสารและอื่น ๆ อีกมากมายได้รับการแก้ไขแล้ว
โพลาไรเซชันของแสง
ปรากฏการณ์การรบกวนและการเลี้ยวเบนซึ่งทำหน้าที่ยืนยันธรรมชาติคลื่นของแสง ยังไม่ได้ให้ภาพที่สมบูรณ์ของธรรมชาติของคลื่นแสง คุณสมบัติใหม่ๆ ได้รับการเปิดเผยแก่เราโดยประสบการณ์ในการส่องผ่านแสงผ่านคริสตัล โดยเฉพาะผ่านทัวร์มาลีน
ลองใช้แผ่นทัวร์มาลีนสี่เหลี่ยมที่เหมือนกันสองแผ่น ตัดเพื่อให้ด้านหนึ่งของสี่เหลี่ยมตรงกับทิศทางที่แน่นอนภายในคริสตัล เรียกว่าแกนแสง ลองวางจานหนึ่งไว้บนอีกจานหนึ่งเพื่อให้แกนตรงกันในทิศทางและส่งลำแสงแคบ ๆ จากตะเกียงหรือดวงอาทิตย์ผ่านแผ่นคู่ที่พับไว้ เนื่องจากทัวร์มาลีนเป็นคริสตัลสีน้ำตาลอมเขียว ร่องรอยของลำแสงที่ส่งผ่านจะปรากฏบนหน้าจอเป็นจุดสีเขียวเข้ม มาเริ่มหมุนแผ่นเปลือกโลกแผ่นหนึ่งไปรอบ ๆ ลำแสงโดยปล่อยให้แผ่นที่สองไม่นิ่ง เราจะพบว่าร่องรอยของลำแสงอ่อนลงและเมื่อหมุนจาน 90 0 มันจะหายไปโดยสิ้นเชิง เมื่อหมุนแผ่นเพิ่มเติม ลำแสงที่ผ่านจะเริ่มเข้มขึ้นอีกครั้งและถึงความเข้มก่อนหน้าเมื่อแผ่นหมุน 180 0 เช่น เมื่อแกนแสงของเพลตขนานกันอีกครั้ง เมื่อทัวร์มาลีนหมุนมากขึ้น ลำแสงก็อ่อนลงอีกครั้ง
ปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ทั้งหมดสามารถอธิบายได้หากได้ข้อสรุปดังต่อไปนี้
1) การสั่นสะเทือนของแสงในลำแสงนั้นตั้งฉากกับเส้นการแพร่กระจายของแสง (คลื่นแสงเป็นแนวขวาง)
2) ทัวร์มาลีนสามารถส่งการสั่นสะเทือนของแสงได้ก็ต่อเมื่อมีการกำหนดทิศทางในทิศทางหนึ่งที่สัมพันธ์กับแกนของมันเท่านั้น
3) ภายใต้แสงตะเกียง (ดวงอาทิตย์) การสั่นสะเทือนตามขวางของทิศทางใด ๆ จะถูกนำเสนอและยิ่งไปกว่านั้นในสัดส่วนเดียวกันเพื่อไม่ให้ทิศทางใดทิศทางหนึ่งโดดเด่น
ความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค– คุณสมบัติของอนุภาคขนาดเล็กใดๆ ในการตรวจจับสัญญาณของอนุภาค (คลังข้อมูล) และคลื่น ความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาคปรากฏชัดเจนที่สุดในอนุภาคมูลฐาน ในบางกรณี อิเล็กตรอน นิวตรอน โฟตอน มีพฤติกรรมเหมือนวัตถุวัตถุ (อนุภาค) ที่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นอย่างดี เคลื่อนที่ด้วยพลังงานและแรงกระตุ้นบางอย่างตามวิถีแบบคลาสสิก และในอย่างอื่น เช่น คลื่น ซึ่งแสดงออกมาในความสามารถของพวกเขา รบกวนและการเลี้ยวเบน ดังนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระเจิงบนอิเล็กตรอนอิสระจะมีพฤติกรรมเหมือนกระแสของอนุภาคแต่ละตัว - โฟตอน ซึ่งเป็นควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (เอฟเฟกต์คอมป์ตัน) และโมเมนตัมของโฟตอนได้มาจากสูตร p = h/λ โดยที่ แล คือความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และ h คือค่าคงที่ของพลังค์ สูตรนี้เองเป็นหลักฐานของความเป็นทวินิยม ด้านซ้ายคือโมเมนตัมของแต่ละอนุภาค (โฟตอน) และด้านขวาคือความยาวคลื่นของโฟตอน ความเป็นคู่ของอิเล็กตรอนซึ่งเราคุ้นเคยที่จะพิจารณาว่าเป็นอนุภาคนั้นแสดงออกมาในความจริงที่ว่าเมื่อสะท้อนจากพื้นผิวของผลึกเดี่ยวจะสังเกตเห็นรูปแบบการเลี้ยวเบนซึ่งเป็นการรวมตัวกันของคุณสมบัติคลื่นของอิเล็กตรอน ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างลักษณะลำตัวและคลื่นของอิเล็กตรอนจะเหมือนกับความสัมพันธ์ของโฟตอน: р = h/λ (р คือโมเมนตัมของอิเล็กตรอน และ λ คือความยาวคลื่นเดอบรอกลี) ความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาคเป็นพื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัม
คลื่น (ขน) เป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมของวัสดุซึ่งครอบครองปริมาตรในอวกาศเสมอ
64. คลื่นเดอบรอกลี การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน คุณสมบัติคลื่นของอนุภาคขนาดเล็ก
การพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับคุณสมบัติคลื่นคอร์ปัสสสารของสสารที่ได้รับในสมมติฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของคลื่นในการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดเล็ก Louis de Broglie จากแนวคิดเรื่องความสมมาตรในธรรมชาติสำหรับอนุภาคของสสารและแสงประกอบกับอนุภาคขนาดเล็กใด ๆ ซึ่งเป็นกระบวนการภายในเป็นระยะ ๆ (1924) เมื่อรวมสูตร E = hν และ E = mc 2 เข้าด้วยกัน เขาได้ความสัมพันธ์ที่แสดงว่าอนุภาคใด ๆ มีของตัวเอง ความยาวคลื่น : แลบ B = h/mv = h/p โดยที่ p คือโมเมนตัมของอนุภาคคลื่น ตัวอย่างเช่น สำหรับอิเล็กตรอนที่มีพลังงาน 10 eV ความยาวคลื่นของเดอ บรอกลีคือ 0.388 นาโนเมตร ต่อจากนั้นก็แสดงให้เห็นว่าสถานะของอนุภาคขนาดเล็กในกลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายได้ด้วยความซับซ้อนบางอย่าง ฟังก์ชั่นคลื่น พิกัด Ψ(q) และโมดูลัสกำลังสองของฟังก์ชันนี้ |Ψ| 2 กำหนดการแจกแจงความน่าจะเป็นของค่าพิกัด ฟังก์ชันนี้ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในกลศาสตร์ควอนตัมโดยชโรดิงเงอร์ในปี 1926 ดังนั้น คลื่นเดอ บรอกลีจึงไม่ได้นำพาพลังงาน แต่สะท้อนถึง "การกระจายเฟส" ของกระบวนการที่มีความน่าจะเป็นเป็นคาบในอวกาศเท่านั้น ดังนั้นคำอธิบายสถานะของวัตถุไมโครเวิลด์จึงเป็นดังนี้ ธรรมชาติของความน่าจะเป็นตรงกันข้ามกับวัตถุของโลกมาโครซึ่งอธิบายโดยกฎของกลศาสตร์คลาสสิก
เพื่อพิสูจน์ความคิดของเดอ บรอกลีเกี่ยวกับธรรมชาติของคลื่นของอนุภาคขนาดเล็ก นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันเอลซาสเซอร์เสนอให้ใช้คริสตัลเพื่อสังเกตการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน (1925) ในสหรัฐอเมริกา K. Davisson และ L. Germer ค้นพบปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนเมื่อลำแสงอิเล็กตรอนผ่านแผ่นผลึกนิกเกิล (1927) J.P. Thomson ในอังกฤษและ P.S. ค้นพบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่ผ่านฟอยล์โลหะอย่างเป็นอิสระ Tartakovsky ในสหภาพโซเวียต ดังนั้น แนวคิดของเดอ บรอกลีเกี่ยวกับคุณสมบัติคลื่นของสสารจึงได้รับการยืนยันจากการทดลอง ต่อมาคุณสมบัติการเลี้ยวเบนและคลื่นจึงถูกค้นพบในคานอะตอมและโมเลกุล ไม่เพียงแต่โฟตอนและอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่อนุภาคขนาดเล็กทั้งหมดยังมีคุณสมบัติคลื่นอนุภาคอีกด้วย
การค้นพบคุณสมบัติคลื่นของอนุภาคขนาดเล็กแสดงให้เห็นว่ารูปแบบของสสารเช่นสนาม (ต่อเนื่อง) และสสาร (ไม่ต่อเนื่อง) ซึ่งจากมุมมองของฟิสิกส์คลาสสิกถือว่าแตกต่างกันในเชิงคุณภาพภายใต้เงื่อนไขบางประการสามารถแสดงคุณสมบัติโดยธรรมชาติในทั้งสองรูปแบบ สิ่งนี้พูดถึงความสามัคคีของสสารในรูปแบบเหล่านี้ คำอธิบายที่สมบูรณ์เกี่ยวกับคุณสมบัติของพวกเขาเป็นไปได้เฉพาะบนพื้นฐานของแนวคิดที่ตรงกันข้าม แต่เสริมกันเท่านั้น
