ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นคืออะไร? เป็นลักษณะของโฟตอนและอนุภาคย่อยอื่น ๆ ที่ทำตัวเหมือนคลื่นภายใต้เงื่อนไขบางประการและเหมือนอนุภาคภายใต้สิ่งอื่น
ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของสสารและแสงเป็นส่วนสำคัญของกลศาสตร์ควอนตัม เพราะมันแสดงให้เห็นได้ดีที่สุดว่าแนวคิดเช่น "คลื่น" และ "อนุภาค" ซึ่งทำงานได้ดีในกลศาสตร์คลาสสิกไม่เพียงพอ คำอธิบายพฤติกรรมของวัตถุควอนตัมบางตัว
ธรรมชาติคู่ของแสงได้รับการยอมรับในฟิสิกส์หลังปี 1905 เมื่ออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อธิบายพฤติกรรมของแสงโดยใช้โฟตอนซึ่งอธิบายว่าเป็นอนุภาค จากนั้นไอน์สไตน์ก็ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่มีชื่อเสียงน้อยกว่า ซึ่งอธิบายแสงว่าเป็นพฤติกรรมของคลื่น
อนุภาคแสดงพฤติกรรมคู่
เหนือสิ่งอื่นใด หลักการของความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นสังเกตได้จากพฤติกรรมของโฟตอน สิ่งเหล่านี้เป็นวัตถุที่เบาที่สุดและเล็กที่สุดที่แสดงพฤติกรรมสองประการ ในบรรดาวัตถุขนาดใหญ่ เช่น อนุภาคมูลฐาน อะตอม และแม้แต่โมเลกุล องค์ประกอบของความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นสามารถสังเกตได้ แต่วัตถุขนาดใหญ่กว่าจะมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นสั้นมาก ดังนั้นจึงสังเกตได้ยาก โดยปกติ แนวคิดที่ใช้ในกลศาสตร์คลาสสิกก็เพียงพอที่จะอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคขนาดใหญ่หรือขนาดมหภาค
หลักฐานของความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น
ผู้คนต่างคิดถึงธรรมชาติของแสงและสสารมาเป็นเวลาหลายศตวรรษและแม้กระทั่งนับพันปี จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ นักฟิสิกส์เชื่อว่าลักษณะของแสงและสสารต้องมีความชัดเจน: แสงสามารถเป็นได้ทั้งกระแสของอนุภาคหรือคลื่น เช่นเดียวกับสสาร ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคเดี่ยวที่ปฏิบัติตามกฎของกลศาสตร์ของนิวตันอย่างสมบูรณ์ หรือเป็น ต่อเนื่อง แยกไม่ออก.
ในสมัยนี้ ทฤษฎีเกี่ยวกับพฤติกรรมของแสงเป็นกระแสของอนุภาคแต่ละตัว ซึ่งก็คือ ทฤษฎีเกี่ยวกับร่างกาย ได้รับความนิยม นิวตันเองก็ยึดมั่นกับมัน อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ในภายหลัง เช่น Huygens, Fresnel และ Maxwell สรุปว่าแสงเป็นคลื่น พวกเขาอธิบายพฤติกรรมของแสงจากการสั่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และปฏิกิริยาของแสงและสสารในกรณีนี้อยู่ภายใต้คำอธิบายของทฤษฎีสนามคลาสสิก
อย่างไรก็ตาม ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ต้องเผชิญกับความจริงที่ว่าทั้งคำอธิบายแรกและคำอธิบายที่สองไม่สามารถทำได้ครอบคลุมพื้นที่ของพฤติกรรมแสงอย่างสมบูรณ์ภายใต้สภาวะและการโต้ตอบต่างๆ
ตั้งแต่นั้นมา การทดลองจำนวนมากได้พิสูจน์ให้เห็นถึงพฤติกรรมสองประการของอนุภาคบางตัว อย่างไรก็ตาม การปรากฏและการยอมรับความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นในคุณสมบัติของวัตถุควอนตัมได้รับอิทธิพลเป็นพิเศษจากการทดลองครั้งแรกสุด ซึ่งยุติการอภิปรายเกี่ยวกับธรรมชาติของพฤติกรรมของแสง
โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์: แสงประกอบด้วยอนุภาค
โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์หรือที่เรียกว่าโฟโตอิเล็กทริกเป็นกระบวนการของปฏิกิริยาของแสง (หรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ) กับสสาร อันเป็นผลมาจากการที่พลังงานของอนุภาคแสงถูกถ่ายโอนไปยังอนุภาคของสสาร ในระหว่างการศึกษาโฟโตอิเล็กทริก พฤติกรรมของโฟโตอิเล็กตรอนไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลาสสิก
Heinrich Hertz ตั้งข้อสังเกตในปี 1887 ว่าแสงอัลตราไวโอเลตที่ส่องบนอิเล็กโทรดช่วยเพิ่มความสามารถในการสร้างประกายไฟ ในปี 1905 Einstein ได้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกโดยข้อเท็จจริงที่ว่าแสงถูกดูดกลืนและปล่อยออกมาจากส่วนควอนตัมบางส่วน ซึ่งเขาเรียกว่าควอนตัมแสงในตอนแรก จากนั้นจึงขนานนามพวกมันว่าโฟตอน
การทดลองโดย Robert Milliken ในปี 1921 ยืนยันการตัดสินของ Einstein และนำไปสู่ความจริงที่ว่าคนหลังได้รับรางวัลโนเบลสำหรับการค้นพบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก และ Millikan เองก็ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1923 สำหรับงานของเขาเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐาน และการศึกษาโฟโตอิเล็กทริก
ทดลองเดวิสสัน-เจอร์เมอร์: แสงคือคลื่น
ประสบการณ์ของเดวิสสัน - Germer ยืนยันแล้วสมมติฐานของ de Broglie เกี่ยวกับความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของแสงและเป็นพื้นฐานสำหรับการกำหนดกฎของกลศาสตร์ควอนตัม
นักฟิสิกส์ทั้งคู่ศึกษาการสะท้อนของอิเล็กตรอนจากผลึกนิกเกิลเดี่ยว การตั้งค่าตั้งอยู่ในสุญญากาศประกอบด้วยกราวด์ผลึกเดี่ยวนิกเกิลในมุมหนึ่ง ลำแสงอิเล็กตรอนแบบเอกรงค์ถูกชี้ตรงในแนวตั้งฉากกับระนาบที่ตัด
การทดลองแสดงให้เห็นว่าเป็นผลมาจากการสะท้อน อิเล็กตรอนจะกระจัดกระจายอย่างเฉพาะเจาะจง นั่นคือในลำแสงสะท้อนทั้งหมด โดยไม่คำนึงถึงความเร็วและมุม จะสังเกตค่าสูงสุดและต่ำสุดของความเข้ม ดังนั้น Davisson และ Germer ได้ทดลองยืนยันการมีอยู่ของคุณสมบัติของคลื่นในอนุภาค
ในปี 1948 นักฟิสิกส์ชาวโซเวียต V. A. Fabrikant ได้ยืนยันการทดลองว่าฟังก์ชั่นของคลื่นนั้นมีอยู่ในกระแสไม่เพียงแต่ในการไหลของอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังอยู่ในอิเล็กตรอนแต่ละตัวแยกจากกันด้วย
การทดลองของจุงกับรอยผ่าสองข้าง
การทดลองเชิงปฏิบัติของโธมัส ยังด้วยรอยผ่าสองช่องเป็นการสาธิตว่าทั้งแสงและสสารสามารถแสดงลักษณะของทั้งคลื่นและอนุภาคได้
การทดลองของจุงแสดงให้เห็นจริงของธรรมชาติของความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น แม้ว่าจะมีการดำเนินการครั้งแรกเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 แม้กระทั่งก่อนการถือกำเนิดของทฤษฎีความเป็นคู่
สาระสำคัญของการทดลองมีดังนี้: แหล่งกำเนิดแสง (เช่น ลำแสงเลเซอร์) ถูกนำไปยังจานที่มีช่องขนานกันสองช่อง แสงที่ลอดผ่านช่องผ่าจะสะท้อนบนหน้าจอด้านหลังจาน
ลักษณะคลื่นของแสงทำให้คลื่นแสงลอดผ่านช่องผ่าไปยังผสมกันทำให้เกิดเส้นแสงและเส้นสีดำบนหน้าจอ ซึ่งจะไม่เกิดขึ้นหากแสงมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคล้วนๆ อย่างไรก็ตาม หน้าจอจะดูดซับและสะท้อนแสง และเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกเป็นเครื่องพิสูจน์ธรรมชาติของแสงในเม็ดเลือด
ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นคืออะไร
คำถามที่ว่าสสารสามารถประพฤติตัวเป็นคู่เดียวกับแสงได้หรือไม่ เดอ บรอกลีหยิบขึ้นมา เขาเป็นเจ้าของสมมติฐานที่ชัดเจนที่ว่า ภายใต้เงื่อนไขบางประการและขึ้นอยู่กับการทดลอง ไม่เพียงแต่โฟตอนเท่านั้น แต่ยังสามารถแสดงอิเล็กตรอนเป็นคู่ได้ Broglie พัฒนาความคิดของเขาเกี่ยวกับคลื่นความน่าจะเป็นไม่เพียง แต่โฟตอนของแสง แต่ยังรวมถึงอนุภาคขนาดใหญ่ในปี 2467
เมื่อสมมติฐานได้รับการพิสูจน์โดยใช้การทดลอง Davisson-Germer และทำซ้ำการทดลองแบบ double-slit ของ Young (ด้วยอิเล็กตรอนแทนโฟตอน) de Broglie ได้รับรางวัลโนเบล (1929)
ปรากฎว่าสสารยังสามารถทำตัวเหมือนคลื่นคลาสสิกภายใต้สถานการณ์ที่เหมาะสม แน่นอน วัตถุขนาดใหญ่สร้างคลื่นที่สั้นมากจนไม่มีความหมายที่จะสังเกตพวกมัน แต่วัตถุที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น อะตอม หรือแม้แต่โมเลกุล แสดงความยาวคลื่นที่สังเกตได้ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งสร้างขึ้นจริงจากฟังก์ชันคลื่น
ความหมายของคลื่นคู่อนุภาค
ความหมายหลักของแนวคิดเรื่องความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นคือพฤติกรรมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสสารสามารถอธิบายได้โดยใช้สมการเชิงอนุพันธ์ซึ่งแสดงถึงฟังก์ชันคลื่น โดยปกตินี่คือสมการชโรดิงเงอร์ ความสามารถในการอธิบายความเป็นจริงโดยใช้ฟังก์ชันคลื่นคือหัวใจของกลศาสตร์ควอนตัม
คำตอบที่พบบ่อยที่สุดสำหรับคำถามที่ว่าความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นคืออะไรคือ ฟังก์ชันคลื่นแสดงถึงความน่าจะเป็นที่จะพบอนุภาคบางตัวในที่ใดที่หนึ่ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความน่าจะเป็นที่อนุภาคจะอยู่ในตำแหน่งที่คาดการณ์ไว้จะทำให้เป็นคลื่น แต่รูปร่างและรูปร่างไม่เป็นเช่นนั้น
ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นคืออะไร
แม้ว่าคณิตศาสตร์จะทำการคาดการณ์ได้อย่างแม่นยำโดยใช้สมการเชิงอนุพันธ์ ถึงแม้ว่าคณิตศาสตร์จะมีความซับซ้อนมากก็ตาม แต่ความหมายของสมการเหล่านี้สำหรับควอนตัมฟิสิกส์นั้นยากต่อการเข้าใจและอธิบายมาก ความพยายามที่จะอธิบายว่าความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นยังคงเป็นจุดศูนย์กลางของการอภิปรายในฟิสิกส์ควอนตัม
ความสำคัญในทางปฏิบัติของความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นนั้นอยู่ที่นักฟิสิกส์คนใดต้องเรียนรู้ที่จะรับรู้ความเป็นจริงด้วยวิธีที่น่าสนใจมาก เมื่อคิดถึงวัตถุเกือบทุกชนิดตามปกติจะไม่เพียงพอสำหรับการรับรู้ที่เพียงพออีกต่อไป ของความเป็นจริง
