Dualizm korpuskularno-falowy

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:

gdzie jest stałą Plancka, łączy wielkości falowe (długość fali ) z korpuskularnymi (pęd ).

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

gdzie:

jednostka urojona,
stała Plancka podzielona przez 2π,
operator różniczkowyhamiltonian opisujący całkowitą energię analizowanej cząstki,
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 opisuje prawdopodobieństwo wystąpienia danej cząstki w określonym miejscu przestrzeni w objętości Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w całej przestrzeni jest równe 1 (jesteśmy pewni, że gdzieś jest). Stąd

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][5]. Po detekcji cząstki nieoznaczoność jej pędu stopniowo wzrasta, przez co maleje widoczność prążków interferencyjnych[6].

Największe układy, dla których zaobserwowano dualizm korpuskularno-falowy miały 2000 atomów[7].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. W niektórych eksperymentach cząstka elementarna (tu: foton) jest w superpozycji stanu cząsteczkowego i stanu falowego: Jian-Shun Tang 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 (Menzel 2012), w przypadku zastosowania fair sampling (Eliot Bolduc 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 Jonathan Leach 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.).) i słabych pomiarów (Fenghua Qi i inni, Towards simultaneous observation of path and interference of a single photon in a modified Mach–Zehnder interferometer, „Photonics Research”, 8 (4), 2020, s. 622, DOI10.1364/PRJ.386774, ISSN 2327-9125 [dostęp 2020-05-01] (ang.).). Wykorzystując splątanie kwantowe można również zaobserwować nie niszcząc interferencji czy foton przeszedł przez którąkolwiek szczelinę, ale nie przez którą konkretnie (A.J. Paige i inni, Quantum Delocalised-Interactions, „arXiv [quant-ph]”, 30 kwietnia 2020, arXiv:2004.14658 [dostęp 2020-05-01].).
  4. Ralf Menzel 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. Craig S. Lent, Blind witnesses quench quantum interference without transfer of which-path information, „arXiv [quant-ph]”, 13 stycznia 2020, arXiv:2001.04403 [dostęp 2020-01-18].
  6. Ya Xiao i inni, Observing momentum disturbance in double-slit "which-way" measurements, „arXiv [quant-ph] + Science Advances”, 5 (6), 2018, eaav9547, DOI10.1126/sciadv.aav9547, arXiv:1805.02059 [dostęp 2018-08-14].
  7. Yaakov Y. Fein i inni, Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa, „Nature Physics”, 2019, DOI10.1038/s41567-019-0663-9, ISSN 1745-2473 [dostęp 2019-09-25] (ang.).