dualismo leggero. Dualità onda-particella: mito o realtà? Equazione di Schrödinger per stati stazionari
Esempi tipici di oggetti che mostrano un comportamento a doppia onda-particella sono gli elettroni e la luce; il principio vale anche per oggetti più grandi, ma, di regola, più è massiccio l'oggetto, meno si manifestano le sue proprietà ondulatorie (non stiamo parlando del comportamento ondulatorio collettivo di molte particelle, ad esempio onde sulla superficie di un liquido).
L'idea della dualità onda-particella è stata utilizzata nello sviluppo della meccanica quantistica per interpretare i fenomeni osservati nel microcosmo dal punto di vista dei concetti classici. In realtà gli oggetti quantistici non sono né onde classiche né particelle classiche, esibendo le proprietà delle prime o delle seconde solo a seconda delle condizioni degli esperimenti che su di essi vengono effettuati. La dualità onda-particella è inspiegabile nel quadro della fisica classica e può essere interpretata solo nella meccanica quantistica.
Ulteriori sviluppi le idee sulla dualità onda-particella sono diventate il concetto di campi quantizzati nella teoria quantistica dei campi.
Onde di Broglie
Il principio della dualità onda-particella riceve un'espressione quantitativa nell'idea delle onde di de Broglie. Per ogni oggetto che esibisce sia proprietà ondulatorie che corpuscolari, esiste una relazione tra quantità di moto p (\ displaystyle \ mathbf (p) ) ed energia E (\ displaystyle E) inerente a questo oggetto come particella e ai suoi parametri d'onda: il vettore d'onda k (\ displaystyle \ mathbf (k) ), lunghezza d'onda λ (\ displaystyle \ lambda ), frequenza ν (\ displaystyle \ nu ), frequenza ciclica ω (\ displaystyle \ omega ). Questa connessione è data dalle relazioni:
p = ℏk; | p | = h / λ , (\ displaystyle \ mathbf (p) =\ hbar \ mathbf (k) ;\ | \ mathbf (p) | = h/\ lambda,) E = ℏ ω = h ν , (\ displaystyle E = \ hbar \ omega = h \ nu,)dove ℏ (\ displaystyle \ hbar ) e h = 2 π ℏ (\ displaystyle h = 2 \ pi \ hbar ) sono rispettivamente le costanti di Planck ridotte e ordinarie. Queste formule sono corrette per l'energia relativistica e la quantità di moto.
L'onda de Broglie viene posta in corrispondenza di qualsiasi oggetto in movimento del micromondo; quindi, sotto forma di onde di de Broglie, sia le particelle leggere che quelle massicce sono soggette a interferenza e diffrazione. Allo stesso tempo, maggiore è la massa della particella, minore è la sua lunghezza d'onda di de Broglie alla stessa velocità e più difficile è registrarne le proprietà d'onda. In parole povere, interagendo con l'ambiente, l'oggetto si comporta come una particella se la lunghezza della sua onda di de Broglie è molto inferiore alle dimensioni caratteristiche disponibili nel suo ambiente, e come un'onda - se è molto più grande; il caso intermedio può essere descritto solo nell'ambito di una teoria quantistica a tutti gli effetti.
Il significato fisico dell'onda di de Broglie è il seguente: il quadrato del modulo dell'ampiezza dell'onda in un certo punto dello spazio è uguale alla densità di probabilità di rilevare una particella in un dato punto se se ne misura la posizione. Allo stesso tempo, mentre la misurazione non viene eseguita, la particella non si trova effettivamente in un punto specifico, ma viene "spalmata" nello spazio sotto forma di un'onda di de Broglie.
La storia dello sviluppo
Le domande sulla natura della luce e della materia hanno una lunga storia, ma fino a un certo momento si credeva che le risposte ad esse dovessero essere univoche: la luce è o un flusso di particelle o un'onda; la materia o è costituita da singole particelle che obbediscono alla meccanica classica, oppure è un mezzo continuo.
L'apparentemente consolidata descrizione ondulatoria della luce si rivelò incompleta quando, nel 1901, Planck ottenne una formula per lo spettro di radiazione di un corpo completamente nero, e poi Einstein spiegò l'effetto fotoelettrico, basandosi sul presupposto che la luce di un certo la lunghezza d'onda viene emessa e assorbita solo in determinate porzioni. Tale porzione - un quanto di luce, poi chiamato fotone - trasferisce energia proporzionale alla frequenza dell'onda luminosa con un coefficiente h (\ displaystyle h)è la costante di Planck. Pertanto, si è scoperto che la luce mostra non solo proprietà ondulatorie, ma anche corpuscolari.
Un'incarnazione più concreta e corretta del principio della dualità onda-particella è stata data nella "meccanica delle onde" di Schrödinger, che si è poi trasformata nella moderna meccanica quantistica.
| Possiamo dire che per un oggetto atomico esiste una potenziale opportunità di manifestarsi, a seconda delle condizioni esterne, sia come onda, sia come particella, o in modo intermedio. È in questa potenziale possibilità di varie manifestazioni delle proprietà inerenti a un microoggetto che consiste il dualismo onda-particella. Qualsiasi altra comprensione, più letterale, di questo dualismo sotto forma di qualche modello è sbagliata. |
Dualità corpuscolare-onda di luce
Come classico esempio applicando il principio del dualismo corpuscolare-onda, la luce può essere interpretata come un flusso di corpuscoli (fotoni), che in molti effetti fisici esibiscono le proprietà delle onde elettromagnetiche classiche. La luce mostra le proprietà di un'onda nei fenomeni di diffrazione e interferenza a scale paragonabili alla lunghezza d'onda della luce. Ad esempio, anche separare i fotoni che passano attraverso la doppia fenditura creano uno schema di interferenza sullo schermo, determinato dalle equazioni di Maxwell.
Tuttavia, l'esperimento mostra che il fotone non è un impulso breve radiazioni elettromagnetiche, ad esempio, non può essere suddiviso in più fasci mediante divisori di fasci ottici, come è stato chiaramente dimostrato da un esperimento condotto dai fisici francesi Grangier, Roger e Aspe nel 1986. Le proprietà corpuscolari della luce si manifestano nelle leggi della radiazione termica di equilibrio, nell'effetto fotoelettrico e nell'effetto Compton. Un fotone si comporta anche come una particella che viene emessa o assorbita interamente da oggetti le cui dimensioni sono molto più piccole della sua lunghezza d'onda (ad esempio i nuclei atomici) o può essere generalmente considerata puntiforme (ad esempio un elettrone).
Minore è la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica, maggiore è l'energia e la quantità di moto dei fotoni e più difficile è rilevare le proprietà d'onda di questa radiazione. Ad esempio, la radiazione di raggi X diffrange solo su un reticolo di diffrazione molto "sottile", il reticolo cristallino di un solido.
Comportamento ondulatorio di oggetti di grandi dimensioni
Il comportamento delle onde è mostrato non solo da particelle elementari e nucleoni, ma anche da oggetti più grandi: le molecole. Nel 1999 è stata osservata per la prima volta la diffrazione del fullerene. Nel 2013 è stato possibile realizzare la diffrazione di molecole con massa superiore a 10.000 a.m.u. , costituito da più di 800 atomi ciascuno.
Tuttavia, non vi è alcuna certezza assoluta se, in linea di principio, oggetti con una massa superiore alla massa di Planck possano mostrare un comportamento ondulatorio.
Guarda anche
Appunti
- La parola "corpuscolo" significa "particella" e praticamente non è usata al di fuori del contesto del dualismo corpuscolare-onda.
- Gershtein S.S. Dualità onda-particella// Enciclopedia fisica: [in 5 volumi] / Cap. ed. AM Prokhorov. - M.: Enciclopedia sovietica, 1990. - V. 2: Fattore di qualità - Magneto-ottica. - S. 464-465. - 704 pag. - 100.000 copie. -
39. Dualismo corpuscolare-onda delle proprietà della materia.
Dualismo corpuscolare-onda delle proprietà della radiazione EM. Ciò significa che la natura della luce può essere considerata da due lati: da un lato, è un'onda, le cui proprietà si manifestano nelle leggi di propagazione, interferenza, diffrazione e polarizzazione della luce. D'altra parte, la luce è un flusso di particelle che hanno energia, quantità di moto. Le proprietà corpuscolari della luce si manifestano nei processi di interazione della luce con la materia (effetto fotoelettrico, effetto Compton).
Analizzando, si può capire che maggiore è la lunghezza d'onda l, minore è l'energia (da E \u003d hc / l), minore è la quantità di moto, più difficile è rilevare le proprietà quantistiche della luce.
Più piccolo è l => più energia E del fotone, più difficile è rilevare le proprietà dell'onda della luce.
La relazione tra le proprietà della doppia onda corpuscolare della luce può essere spiegata utilizzando un approccio statistico alla considerazione dei modelli di distribuzione della luce.
Ad esempio, la diffrazione della luce da una fenditura: quando la luce passa attraverso una fenditura, i fotoni vengono ridistribuiti nello spazio. Poiché la probabilità che un fotone colpisca diversi punti dello schermo non è la stessa, si verifica un modello di diffrazione. L'illuminazione dello schermo (il numero di fotoni incidenti su di esso) è proporzionale alla probabilità che un fotone colpisca questo punto. D'altra parte, l'illuminazione dello schermo è proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'onda I~E 2 . Pertanto, l'ampiezza al quadrato di un'onda luminosa in un dato punto nello spazio è una misura della probabilità che un fotone colpisca quel punto nello spazio.
44. Equazione di Schrödinger per stati stazionari.
Equazione (217.5) è chiamata equazione di Schrödinger per gli stati stazionari. Questa equazione include l'energia totale come parametro e particelle. Nella teoria delle equazioni differenziali, è dimostrato che tali equazioni hanno un numero infinito di soluzioni, dalle quali si selezionano soluzioni che hanno un significato fisico imponendo condizioni al contorno. Per l'equazione di Schrödinger, tali condizioni sono le condizioni di regolarità delle funzioni d'onda: le funzioni d'onda devono essere finite, a valore singolo e continue insieme alle loro derivate prime. Pertanto, solo le soluzioni che sono espresse da funzioni regolari hanno un significato fisico reale, ma le soluzioni regolari non hanno luogo per nessun valore del parametro E, a solo per un certo insieme di essi, caratteristico di un determinato compito. Questi valori energetici sono chiamati possedere. Soluzioni che corrispondono possedere si chiamano valori energetici proprie funzioni. Autovalori e possono formare sia serie continue che discrete. Nel primo caso se ne parla continuo, o continuo, spettro, nel secondo - sullo spettro discreto.
40. Onde di De Broglie e loro proprietà.
De Broglie ha affermato che non solo i fotoni, ma anche gli elettroni e qualsiasi altra particella di materia, insieme a quelle corpuscolari, hanno anche proprietà ondulatorie. Quindi, secondo de Broglie, ogni microoggetto connesso, da un lato, corpuscolare caratteristiche - energia e e slancio R, e dall'altro - caratteristiche dell'onda- frequenza v e lunghezza d'onda A. Le relazioni quantitative che collegano le proprietà corpuscolari e ondulatorie delle particelle sono le stesse dei fotoni: e= hv, p= h/ . (213.1) L'audacia dell'ipotesi di de Broglie risiede proprio nel fatto che la relazione (213.1) è stata postulata non solo per i fotoni, ma anche per altre microparticelle, in particolare per quelle che hanno massa a riposo. Pertanto, qualsiasi particella con quantità di moto è associata a un processo ondulatorio con una lunghezza d'onda determinata da secondo la formula de Broglie: = h/ p. (213.2) Questa relazione è valida per qualsiasi particella con quantità di moto R. Ben presto l'ipotesi di de Broglie fu confermata sperimentalmente. (K. Davisson, L. Germer) hanno scoperto che un fascio di elettroni diffuso da un reticolo di diffrazione naturale - un cristallo di nichel - fornisce un modello di diffrazione distinto. I massimi di diffrazione corrispondevano alla formula di Wulff-Braggs (182.1), e la lunghezza d'onda di Bragg risultò essere esattamente uguale alla lunghezza d'onda calcolata dalla formula (213.2). Successivamente, la formula di de Broglie è stata confermata dagli esperimenti di P. S. Tartakovsky e G. Thomson, che hanno osservato il pattern di diffrazione durante il passaggio di un fascio di elettroni veloci (energia 50 keV) attraverso una lamina metallica (spessore 1 μm). Poiché il modello di diffrazione è stato studiato per il flusso di elettroni, è stato necessario dimostrare che le proprietà dell'onda sono inerenti non solo al flusso di un grande insieme di elettroni, ma anche a ciascun elettrone separatamente. Ciò fu confermato sperimentalmente nel 1948 dal fisico sovietico VA Fabrikant (nato nel 1907). Ha mostrato che anche nel caso di un fascio di elettroni così debole, quando ogni elettrone passa attraverso il dispositivo indipendentemente dagli altri (l'intervallo di tempo tra due elettroni è 10 4 volte più lungo del tempo in cui l'elettrone passa attraverso il dispositivo), la diffrazione il pattern che si verifica durante una lunga esposizione non differisce dai pattern di diffrazione, ottenuti con una breve esposizione per flussi di elettroni, decine di milioni di volte più intensi. Di conseguenza, le proprietà ondulatorie delle particelle non sono una proprietà del loro collettivo, ma sono inerenti a ciascuna particella individualmente. Successivamente sono stati scoperti fenomeni di diffrazione anche per neutroni, protoni, fasci atomici e molecolari. La prova sperimentale della presenza di proprietà ondulatorie delle microparticelle ha portato alla conclusione che abbiamo un fenomeno universale, una proprietà generale della materia. Ma poi le proprietà dell'onda devono anche essere inerenti ai corpi macroscopici. Perché non si trovano sperimentalmente? Ad esempio, una particella del peso di 1 g che si muove ad una velocità di 1 m/s corrisponde ad un'onda di de Broglie con =6,62 10 -31 m Questa lunghezza d'onda si trova al di fuori della regione accessibile all'osservazione (strutture periodiche con un periodo di d 10 -31 non esiste). Pertanto, si ritiene che i corpi macroscopici mostrino solo un lato delle loro proprietà - corpuscolare - e non mostrino onde. L'idea della natura a doppia onda corpuscolare delle particelle di materia è approfondita dal fatto che la relazione tra l'energia totale della particella viene trasferita alle particelle di materia G e frequenza v delle onde di de Broglie: e=hv. (213.3) Ciò indica che la relazione tra energia e frequenza nella formula (213.3) ha il carattere rapporto universale, valido sia per i fotoni che per qualsiasi altra microparticella. La validità della relazione (213.3) deriva dall'accordo con l'esperienza di quei risultati teorici ottenuti con il suo aiuto nella meccanica quantistica, nella fisica atomica e nucleare. L'ipotesi sperimentalmente confermata di de Broglie sulla dualità onda-particella delle proprietà della materia ha cambiato radicalmente le idee sulle proprietà dei microoggetti. Tutti i microoggetti hanno proprietà sia corpuscolari che ondulatorie; allo stesso tempo, nessuna delle microparticelle non può essere considerata né una particella né un'onda in senso classico. L'interpretazione moderna della dualità onda-particella può essere espressa nelle parole del fisico teorico sovietico V. A. Fok (1898-1974): come particella, o in modo intermedio. È in questo potenziale varie manifestazioni delle proprietà inerenti a un microoggetto e consiste nella dualità onda-particella. Qualsiasi altra comprensione, più letterale, di questo dualismo sotto forma di qualche modello è sbagliata.
Quindi, le microparticelle hanno proprietà straordinarie. microparticelle – queste sono particelle elementari(elettroni, protoni, neutroni, ecc.), così come particelle complesse,formato da un piccolo numero di elementari(addio indivisibile) particelle(atomi, molecole, nuclei di atomi). Chiamando queste microparticelle particelle, ne sottolineiamo solo un lato, sarebbe più corretto chiamare " onda particellare».
Le microparticelle non sono in grado di influenzare direttamente i nostri sensi, né vederli né toccarli. Sappiamo cosa accadrà al grande oggetto; ma non è così che fanno le microparticelle! Pertanto, studiandoli, si deve ricorrere a vari tipi di astrazioni. , eccitare l'immaginazione e non provaremetterli in relazione con la nostra esperienza diretta.
Nella fisica pre-quantistica, comprendere significa creare un'immagine visiva di un oggetto o di un processo. Nella fisica quantistica, non puoi pensare in questo modo. Qualsiasi modello visivo funzionerà secondo le leggi classiche e quindi non è adatto a rappresentare processi quantistici. Ad esempio, la rotazione di un elettrone in un'orbita attorno a un atomo è una tale rappresentazione. Questo è un omaggio alla fisica classica e non corrisponde vera posizione cose, non corrisponde alle leggi quantistiche.
Le onde di Louis de Broglie da noi considerate non lo sono elettromagnetico, queste sono onde di natura speciale.
Calcoliamo la lunghezza d'onda di de Broglie di una palla di massa 0,20 kg che si muove ad una velocità di 15 m/s.
| . | (3.3.1) |
Questa è una lunghezza d'onda estremamente corta. Anche a velocità estremamente basse, diciamo m/s, la lunghezza d'onda di de Broglie sarebbe di circa M. La lunghezza d'onda di de Broglie di un corpo ordinario è troppo piccola per essere rilevata e misurata. Il fatto è che le proprietà tipiche dell'onda - interferenza e diffrazione - appaiono solo quando le dimensioni degli oggetti o delle fenditure sono di dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda. Ma non conosciamo oggetti e fessure su cui potrebbero essere diffratte onde con una lunghezza d'onda, quindi le proprietà d'onda dei corpi ordinari non possono essere rilevate.
Un'altra cosa, se noi stiamo parlando di particelle elementari ah tipo di elettroni. Perché la massa è compresa nel denominatore della formula 3.3.1, che determina la lunghezza d'onda di de Broglie, una massa molto piccola corrisponde ad una lunghezza d'onda grande.
Determiniamo la lunghezza d'onda di de Broglie di un elettrone accelerato da una differenza di potenziale di 100 V.
SM,
Dall'esempio sopra, si può vedere che un elettrone può corrispondere a una lunghezza d'onda dell'ordine di . Sebbene si tratti di onde molto corte, possono essere rilevate sperimentalmente: le distanze interatomiche in un cristallo dello stesso ordine di grandezza () e gli atomi di cristallo regolarmente distanziati possono essere utilizzati come reticolo di diffrazione, come nel caso dei raggi X. Quindi, se l'ipotesi di Louis de Broglie è corretta, allora, come ha sottolineato Einstein, per elettroni, si dovrebbe osservare un fenomeno di diffrazione.
Prendiamoci un momento e facciamo un esperimento mentale. Dirigiamo un fascio parallelo di elettroni monoenergetici (cioè aventi la stessa energia cinetica) verso un ostacolo con due fessure strette (Fig. 3.6), mettiamo una lastra fotografica (Fp) dietro l'ostacolo.
| un | b | in |
Per prima cosa, chiudi la seconda fessura ed esponi per il tempo t. L'annerimento sulla FP lavorata sarà caratterizzato dalla curva 1, fig. 3.6b. Quindi chiudiamo la prima fenditura ed esponiamo la seconda lastra fotografica. La natura dell'annerimento è trasmessa in questo caso dalla curva 2 (Fig. 3.6, b). Infine, apri entrambe le fessure ed esponi per tempo t terzo piatto. Il pattern di annerimento ottenuto in quest'ultimo caso è mostrato in Fig. 3.6, c. Questa immagine non è affatto equivalente alla posizione delle prime due. Come può l'apertura della seconda fenditura influenzare quegli elettroni che sembrano essere passati attraverso l'altra fenditura? L'immagine risultante (Fig. 3.6, c) risulta essere simile all'immagine ottenuta dall'interferenza di due onde luminose coerenti. La natura dell'immagine indica che il movimento di ciascun elettrone è influenzato da entrambe le lacune. Tale conclusione è incompatibile con l'idea di traiettorie. Se un elettrone si trovasse in un certo punto dello spazio in ogni momento e si muovesse lungo una traiettoria, passerebbe attraverso un certo buco, il primo o il secondo. Il fenomeno della diffrazione dimostra che entrambi i buchi partecipano al passaggio di ciascun elettrone, sia il primo che il secondo.
In questo modo, la diffrazione di elettroni e altre microparticelle dimostra la validità dell'ipotesi di Louis de Broglie e conferma il dualismo corpuscolare-onda delle microparticelle di materia .
In questo articolo, sulla base della natura fisica della costante di Planck, si mostra che l'ipotesi di L. De Broglie sulla natura universale del dualismo corpuscolare-onda non è corretta e non ha conferme né teoriche né sperimentali.
“...difficoltà e problemi chesorgono in connessione con i fenomeni quantistici, sono puramente fisici e dovrebbero essere risolti approfondendo le idee scientifiche, senza alcuna deviazione con l'aiuto di invenzioni epistemologiche o mistiche.
Mitologia fisica quantistica. L. Regelson.
Introduzione. Secondo le idee moderne: il dualismo corpuscolare-onda è la proprietà universale più importante della natura, che consiste nel fatto che tutti i microoggetti hanno caratteristiche corpuscolari e ondulatori contemporaneamente. Quindi, ad esempio, un elettrone, un neutrone, un fotone in determinate condizioni appaiono come particelle che si muovono lungo traiettorie classiche e aventi una certa energia e quantità di moto, mentre in altre rivelano la loro natura ondulatoria, caratteristica dei fenomeni interferenza e diffrazione particelle. Come principio primario, la dualità onda-particella è alla base della meccanica quantistica e della teoria quantistica dei campi.
Nella moderna comprensione scientifica, l'opinione si è fermamente affermata che una delle caratteristiche principali della fisica quantistica è la presenza della dualità onda-particella in essa. Per esempio:
"Il concetto di dualità onda-particella è uno dei concetti di base della moderna teoria quantistica".
“Una fase importante nello sviluppo della moderna comprensione della struttura della materia è stata l'avanzata de Broglie nel 1924 l'ipotesi dell'universalità della dualità onda-particella.
“Da tutto ciò che è preceduto concludiamo che gli oggetti microscopici hanno una proprietà estremamente generale di rivelarsi in due aspetti apparentemente incompatibili: da un lato, come sovrapposizione di onde, dall'altro, come particella, cioè una porzione localizzata di energia e slancio”.
“Il dualismo corpuscolare-onda delle proprietà della materia, che è sia sotto forma di radiazione che sotto forma di particelle con massa a riposo diversa da zero, è la caratteristica più importante sostanza che sta alla base di varie regolarità fondamentali che caratterizzano il micromondo”.
All'inizio del 20° secolo furono fatte una serie di importanti scoperte (effetto fotoelettrico, effetto Compton, diffrazione elettronica, ecc.), che diedero l'impressione che le particelle elementari della materia, in particolare gli elettroni, non solo hanno corpuscolari, ma anche proprietà delle onde. In questo modo, è stato sperimentalmente dimostrato che non esiste un confine invalicabile tra materia e campo: in determinate condizioni, le particelle elementari di materia mostrano proprietà ondulatorie e le particelle di campo mostrano proprietà di corpuscoli. Questa divenne nota come dualità onda-particella ed era una rappresentazione che non si adattava in alcun modo al solito buon senso.
“La contraddizione tra i concetti di campo spazialmente esteso e particella spazialmente localizzata si è rivelata così profonda che è nata un'intera scuola filosofica che generalmente ha abbandonato il modo classico di descrivere un oggetto fisico come una realtà nello spazio e nel tempo, indipendente dagli strumenti usato per l'osservazione. Alla ricerca di una via d'uscita realistica da questa situazione, sono state delineate due strade principali: De Broglie e Bohm hanno ritenuto necessario mantenere il concetto di particella localizzata (corpuscolo) tra i concetti base della teoria, mentre Planck e, in particolare, Schrödinger ha difeso l'immagine dell'onda monistica.
Il primo percorso si è rivelato connesso con l'artificialità delle premesse teoriche e ha portato a grandi difficoltà matematiche. Il secondo modo sembra essere più costruttivo, dal momento che l'apparato matematico della fisica quantistica, che funziona con successo, corrisponde esattamente al modello d'onda: l'aspetto corpuscolare appare solo nel processo di interpretazione. Tuttavia, sorge immediatamente la domanda: è possibile conciliare un modello d'onda realistico con i fatti sperimentali più semplici? In questo lavoro, giungiamo alla conclusione che un tale accordo è possibile solo se assumiamo una violazione sperimentalmente osservata delle leggi di conservazione dell'energia e della carica nelle singole interazioni.
Nell'interpretare il dualismo corpuscolare-onda, nel decifrare il meccanismo di connessione tra queste proprietà opposte, la meccanica quantistica ha incontrato grandi difficoltà, che non sono state del tutto superate nemmeno al momento attuale. Se viste meccanicamente, le proprietà opposte, corpuscolari e ondulatorie si separavano l'una dall'altra e diventavano caratteristiche di oggetti diversi. In definitiva, ciò ha portato alla comprensione che questo concetto è ora praticamente respinto in quanto errato.
Tuttavia, tutta la moderna letteratura educativa, metodica e accademica utilizza la dualità onda-particella come concetto importante e significativo per spiegare vari fenomeni nella fisica del micromondo, ignorando l'assurdità e l'incoerenza di questo concetto. Facendo appello all'impossibilità, nell'ambito della fisica tradizionale, di fornire prove pesanti dell'inadeguatezza di questo concetto, a sua volta, la risoluzione di questa contraddizione logica, che è servita a creare fondamenti fisici la meccanica quantistica e la teoria quantistica dei campi, è stata proposta con l'aiuto del rifiuto delle idee visive (classiche) su particelle e onde. Per spiegare i fenomeni ondulatori sulla base di rappresentazioni corpuscolari, è stata introdotta una descrizione delle microparticelle (e dei sistemi di microparticelle) utilizzando vettori di stato, obbedendo al principio di sovrapposizione degli stati, ed è stata adottata la loro interpretazione statistica (probabilistica), che ha permesso di evitare una contraddizione logica formale con le rappresentazioni corpuscolari (localizzare una particella contemporaneamente in diversi stati). D'altra parte, considerando i campi classici (ondulatori) come un sistema meccanico con un numero infinito di gradi di libertà e richiedendo che questi gradi di libertà obbediscano a determinate condizioni di quantizzazione, nella teoria quantistica dei campi si passa dai campi classici a quelli quantistici. In questo approccio, le particelle agiscono come stati eccitati del sistema (campo). In questo caso, l'interazione delle particelle corrisponde all'interazione dei loro campi.
Ci sono altri tentativi per risolvere questo problema, in particolare, in l'approccio dialettico sottolinea l'oggettività delle proprietà dell'onda corpuscolare, che sono contemporaneamente insite in un microoggetto, ma si manifestano in modo diverso a seconda delle varie condizioni sperimentali; Si richiama l'attenzione sulla conoscenza di queste opposte proprietà dei micro-oggetti nella loro unità e interconnessione. Questa interpretazione del dualismo corpuscolare-onda, sviluppata da Langevin, V. A. Fock, S. Vavilov e altri scienziati, considera una microparticella non come un corpuscolo o un'onda, ma come qualcosa di terzo, la loro sintesi, per la quale non esistono ancora rappresentazioni fisiche visive. La formulazione matematica di questa unità è data nel concetto di funzione d'onda.
È ovvio che il problema del dualismo corpuscolare-onda non è in circostanze sfavorevoli per esso, ma nella mente dei suoi creatori, che hanno tentato di generalizzare l'idea della dualità corpuscolare-onda di un fotone a tutti gli oggetti del microcosmo e, prima di tutto, agli elettroni.
Sulla base di quanto sopra, il compito di interpretare un tale stato di questo problema al momento attuale diventa rilevante, in considerazione del fatto che determina lo sviluppo della fisica nel suo insieme: o il percorso della fiorente creazione di miti, o lo sviluppo concetti moderni, ad esempio, l'eterodinamica, eliminando i problemi della fisica tradizionale, incluso il dualismo corpuscolare-onda.
Sostanziazione e analisi del dualismo corpuscolare-onda. Nel 1900 M. Planck dimostrò che per spiegare la legge di equilibrio della radiazione termica è necessario accettare l'ipotesi della natura discreta della radiazione, assumendo che l'energia della radiazione sia un multiplo di un certo valore ε, che chiamò il quanto di energia: ε = hν, dove ν è la frequenza dell'onda, e h è la costante di Planck. Successivamente è risultato che il valore ħ = h/2π ≈ 1.05 10 -27 erg s è più conveniente, quindi ε = ħω, dove ω = 2πν è la frequenza circolare dell'onda. Poiché l'assunzione di una natura discreta della radiazione contraddiceva la teoria ondulatoria della luce, secondo la quale l'energia di un'onda luminosa può assumere qualsiasi valore (continuo), proporzionale al quadrato ampiezze delle oscillazioni elettromagnetiche, Planck ha dapprima associato la discrezione dell'energia della radiazione con le proprietà degli emettitori (atomi). Tuttavia, nel 1905 A. Einstein, procedendo dalla legge della radiazione sperimentalmente stabilita di Wien (che è il caso limite della legge della radiazione di Planck, valida alle alte frequenze: la faglia coincide con l'entropia di un gas costituito da particelle con energia ε = ħω . È così che è nata l'idea di particelle di luce - fotoni, che trasportano un quanto di energia ε = ħω e si muovono alla velocità della luce. Successivamente, sulla base della cinematica relativistica, ai fotoni è stata assegnata la quantità di moto p = (ħω/c) n = ħk, dove n è un vettore unitario lungo la direzione del moto del fotone, k = (ω/c) n = (2π/λ) n è un vettore d'onda. Il concetto di fotoni è stato utilizzato con successo per spiegare le leggi dell'effetto fotoelettrico e degli spettri di bremsstrahlung.
Nel 1913, N. Bohr utilizzò la costante di Planck per determinare gli stati stazionari nell'atomo di idrogeno. Allo stesso tempo, è riuscito a spiegare i modelli spettrali osservati sperimentalmente ed esprimere il raggio atomico e la costante di Rydberg in termini di carica dell'elettrone, sua massa e costante di Planck, che si sono rivelati in buon accordo con i dati sperimentali. Il metodo per trovare stati stazionari degli elettroni negli atomi è stato migliorato da A. Sommerfeld, che ha mostrato che per orbite stazionarie l'azione classica è un multiplo intero di 2ph. Il successo della teoria di Bohr, che utilizzava i concetti quantistici e la costante di Planck per spiegare i fenomeni atomici, che fino ad allora sembravano collegare solo le caratteristiche corpuscolari e ondulatorie della radiazione elettromagnetica, suggerì l'esistenza della dualità onda-particella anche per gli elettroni. A questo proposito, L. de Broglie nel 1924 avanza un'ipotesi sulla natura universale del dualismo corpuscolare-onda. Secondo l'ipotesi di de Broglie, ogni particella in movimento con energia ε e quantità di moto p corrisponde a un'onda con ω = ε/ħ e vettore d'onda k = p/ħ , così come sono associate particelle con energia ε = ħω e quantità di moto p = ħk qualsiasi onda.
La prima conferma sperimentale dell'ipotesi di de Broglie fu ottenuta nel 1927 dai fisici americani K. Devisson e L. Germer. Hanno scoperto che un raggio di elettroni diffuso da un cristallo di nichel produceva un modello di diffrazione distinto simile a quello prodotto dai raggi X a lunghezza d'onda corta diffusi dal cristallo. In questi esperimenti, il cristallo ha svolto il ruolo di un reticolo di diffrazione naturale. La posizione dei massimi di diffrazione è stata utilizzata per determinare la lunghezza d'onda del fascio di elettroni, che si è rivelata in pieno accordo con quella calcolata dalla formula di de Broglie.
L'anno successivo, il 1928, il fisico inglese G. Thomson (figlio di J. Thomson, che scoprì l'elettrone 30 anni prima) ricevette una nuova conferma dell'ipotesi di de Broglie. Nei suoi esperimenti, G. Thomson ha osservato il modello di diffrazione che si verifica quando un fascio di elettroni passa attraverso una sottile lamina d'oro policristallino. Negli anni successivi, l'esperimento di G. Thomson fu ripetuto molte volte con lo stesso risultato, anche in condizioni in cui il flusso di elettroni era così debole che solo una particella alla volta poteva passare attraverso il dispositivo (V. A. Fabrikant, 1948). Pertanto, è stato sperimentalmente dimostrato che le proprietà dell'onda sono inerenti non solo a un ampio insieme di elettroni, ma anche a ciascun elettrone separatamente.
Successivamente sono stati scoperti fenomeni di diffrazione anche per neutroni, protoni, fasci atomici e molecolari. La prova sperimentale della presenza di proprietà ondulatorie delle microparticelle ha portato alla conclusione che questo è un fenomeno universale della natura, una proprietà generale della materia.
Da quanto sopra, è ovvio che l'assurdità e l'incoerenza della dualità onda-particella dovrebbero essere ricercate principalmente nella giustificazione di cui sopra. Tuttavia, tale soluzione non sarà completa senza considerare le origini storiche di questo problema.
Scoperte fine XIX in. - raggi X(1895), radioattività naturale (Becquerel, 1896), elettrone (J. Thomson, 1897), radio (Pierre e Marie Curie, 1898), radiazione quantistica (Planck, 1900) furono l'inizio di una rivoluzione scientifica. Le nozioni di immutabilità precedentemente prevalenti furono distrutte elementi chimici, sull'assenza di struttura dell'atomo, sull'indipendenza del movimento dalle masse materiali, sulla continuità dell'irraggiamento.
Tuttavia, dopo più di cento anni, a seguito delle attività della fisica moderna, si è scoperto che le scoperte rivoluzionarie della fine del XIX secolo. rimasta teoricamente irrisolta, in particolare, i problemi della generazione di raggi X sono considerati sulla base della teoria dell'elettrone di bremsstrahlung (una variante del mito dell'elettrone libero), la teoria della radioattività è piena di errori e contraddizioni, la natura quantistica della radiazione ha portato alla mistificazione delle costanti di Planck (h) e struttura fine(α), e il lavoro relativo alla scoperta dell'elettrone capovolse tutta la fisica teorica. Come mostrato nelle opere, la scoperta dell'elettrone non solo è stata mitizzata, ma ha anche portato a una serie di errori grossolani: sulla quantizzazione e sulla discrezione carica elettrica; sull'esistenza di una carica elettrica elementare; di dare fondamentalità ai risultati manipolati dell'esperimento Millikan, in cui non è stato nemmeno stabilito il vettore fisico della carica elettrica; sull'infondata e frivola assegnazione all'elettrone di una carica elettrica negativa uguale a quella elementare. Se a questo aggiungiamo che la fisica moderna non ha idea, con rare eccezioni, delle strutture delle principali particelle elementari (protone, elettrone, fotone), dei meccanismi della loro generazione, dello scopo funzionale, dei loro parametri e proprietà, allora il concetto di la dualità onda-particella e la sua giustificazione diventano un altro mito nato negli annali della meccanica quantistica.
Come mostrato nel lavoro, il dualismo corpuscolare-onda di un fotone non riflette molto bene la natura specifica del movimento del fotone nello spazio lungo una traiettoria elicoidale e la costante di Planck è un coefficiente di proporzionalità che stabilisce la relazione tra il fotone momento giroscopico e il rapporto delle frequenze di rotazione circolari (attorno al proprio e all'asse moto rettilineo), che ha il carattere di una quasi-costante nell'intera regione di esistenza di un fotone:
M = h ω λ / ω γλ , (1)
dove M = m λ r γλ 2 ω γλ è il momento giroscopico intrinseco, r γλ è il raggio del corpo, ω γλ è la frequenza circolare di rotazione attorno al proprio asse, ω λ = ν è la frequenza circolare di rotazione attorno al asse del moto rettilineo, m λ è la massa del fotone.
Secondo le idee moderne, la costante di Planck è la costante principale della teoria quantistica, in merito alla quale alla XXIV Conferenza Generale su Misure e Pesi (CGPM) del 17-21 ottobre 2011 è stata adottata all'unanimità una risoluzione, in cui, in particolare, è stata proposto nella futura revisione dell'International System of Units (SI ) ridefinire le unità SI in modo che la costante di Planck sia esattamente 6.62606X·10 −34 J·s, dove X sta per una o più cifre significative da determinare in futuro in base sui migliori consigli CODATA.
L'articolo mostra che il valore h = 6,62606X 10 −34 J s corrisponde al doppio del valore della costante di Planck di un fotone nell'intervallo di radiazione dei raggi X con una lunghezza d'onda di λ ≈ 225 nm, il che solleva la questione della adeguatezza della teoria quantistica.
La costante di Planck è un parametro di un fotone e solo un fotone. Questa affermazione è una conseguenza dell'essenza fisica della costante di Planck (1): di tutte le particelle elementari conosciute, solo un fotone si muove nello spazio lungo una traiettoria elicoidale, cioè ha due moti circolari - attorno al proprio asse e all'asse del moto rettilineo . Pertanto, l'uso della costante di Planck da parte di Bohr e Sommerfeld per determinare gli stati stazionari degli elettroni nell'atomo di idrogeno dovrebbe essere considerato errato, vista la discrepanza tra la sua essenza. Come è noto, la teoria di Bohr fu in seguito relegata nella mitologia della fisica quantistica. In connessione con quanto sopra, l'ipotesi di L. De Broglie circa l'universalità del dualismo corpuscolare-onda non corrisponde al vero. E, se teniamo conto che un elettrone in un atomo non ha moto indipendente e la sua carica elettrica è positiva e minore della carica elettrica di un protone, allora l'ipotesi di L. De Broglie può essere attribuita anche alla mitologia di fisica quantistica. Queste considerazioni possono essere ripetute per altre microparticelle: neutroni, protoni, fasci atomici e molecolari.
Quanto alla conferma sperimentale del dualismo corpuscolare-onda, allora in questa parte l'inesattezza dell'interpretazione sta nella seguente.
In tutti gli esperimenti, a partire da quelli di K. Davisson e L. Germer, i fisici sperimentali sono partiti dalla condizione di generare un fascio di elettroni mediante un apparato sperimentale, che non è stato provato o corroborato da nessuno, ma dato per scontato senza alcuna comprensione degli errori commessi dalla fisica teorica, dovuti al mito della scoperta dell'elettrone.
L'errore più grossolano della fisica del primo Novecento. , era l'identificazione delle rappresentazioni dell'elettricità atomica e degli atomi di materia. Uno dei risultati di questa identificazione è stata la comparsa nella fisica quotidiana del modello degli elettroni liberi, noto anche come modello di Sommerfeld o modello di Drude-Sommerfeld, - un semplice modello quantistico del comportamento degli elettroni di valenza in un atomo di metallo, sviluppato di Sommerfeld basato sul modello classico di Drude, tenendo conto della statistica quantomeccanica di Fermi - Dirac. Gli elettroni del metallo sono trattati in questo modello come un gas di Fermi.
La differenza tra il modello di Sommerfeld e il modello di Drude è che non tutti gli elettroni di valenza del metallo partecipano ai processi cinetici, ma solo quelli che hanno energie entro kT dell'energia di Fermi, dove k è costante di Boltzmann, T - temperatura. Nonostante la sua semplicità, il modello spiega molti fenomeni diversi, tra cui: emissione termoionica ed emissione di campo (cioè il funzionamento di un cannone elettronico).
Il modello di Sommerfeld è un modello quantistico di un gas di elettroni di Fermi liberi e indipendenti, che utilizza la distribuzione di Fermi-Dirac, cioè questo è un modello nella descrizione matematica di cui è ampiamente utilizzata la costante di Planck. Dalla natura fisica della costante di Planck sopra considerata deriva che il suo uso diretto nel modello di Sommerfeld (come parametro dell'elettrone) non è corretto e non corrisponde al modello di un gas di elettroni liberi e indipendenti.
Il modello di Drude è una classica descrizione del moto degli elettroni nei metalli. Si ritiene che gli elettroni liberi (elettroni che hanno perso il contatto con i "loro" atomi) nei metalli obbediscano alle leggi di un gas ideale. Questa teoria è stata proposta fisico tedesco Paul Drude nel 1900, cioè in un'epoca in cui le idee sull'elettrone corrispondevano alle idee sulle particelle che trasportano una carica elettrica di un'entità fisica non identificata.
Pertanto, l'uso scorretto della costante di Planck, un parametro fotonico che ha il carattere di una quasi-costante (cioè, la costante di Planck è una funzione della lunghezza d'onda del fotone) nei modelli di meccanica quantistica solleva la questione della loro applicabilità non solo a sostanziare la dualità onda-particella, ma anche analizzare altri fenomeni fisici in generale.
Il fatto che i cannoni elettronici non generino flussi di elettroni può anche essere giustificato utilizzando idee sull'essenza fisica della carica elettrica. Omettendo i calcoli matematici, si può dimostrare che l'energia di legame delle coppie protone-elettrone, ad esempio per alcuni atomi di una sostanza, avrà i seguenti valori: cesio- (raggio atomico 2,98 10 -10 m) 3,465 10 4 eV, zinco(1,42 10 -10 m) 7,27 10 4 eV , elio(0,32 10 -10 m) 3,227 10 5 eV. In questi esempi, vengono forniti i dati per le coppie protone-elettrone, in cui l'elettrone è esterno all'atomo, cioè l'energia di legame per le coppie di atomi protone-elettrone indicate è minima. L'atomo di cesio è il più grande (in termini di dimensioni), l'atomo di elio è il più piccolo di tutti conosciuti dalla tavola periodica degli elementi chimici di D. Mendeleev.
Nei seminari leggiamo Riso. 3.3. Esperienza Thomson. …c) Schema di diffrazione ottenuto spargendo elettroni con un'energia di 600 eV". Come si può vedere dalle energie di legame di cui sopra delle coppie protone-elettrone, l'energia più bassa di un elettrone nel caso di rottura di questo legame sarebbe 34,65 keV (>> 0. 6 keV) se il cesio fosse usato come sostanza attivata nel cannone elettronico. Quindi Thomson non poteva in alcun modo osservare la diffrazione degli elettroni, vista l'impossibilità della loro generazione con l'energia indicata.
È noto che la radiazione di raggi X molli è nell'intervallo di lunghezze d'onda da 10 nm a 0,1 nm e le energie dei fotoni 124 eV -12400 eV, rispettivamente. Ovviamente, gli esperimenti dei fisici sulla “diffrazione elettronica” sono più coerenti con gli esperimenti sulla diffrazione dei fotoni dei raggi X, che è indicata anche dalla coincidenza dei pattern di interferenza.
Il fenomeno dell'interferenza può essere facilmente spiegato nell'ambito non solo della teoria ondulatoria, ma anche corpuscolare e, quindi, non può servire come prova della natura dell'onda.
Conclusioni. La fisica tradizionale sotto il dualismo comprende le proprietà corpuscolari delle microparticelle e le proprietà ondulatorie del movimento, e l'idea di un'onda, come perturbazione di un determinato mezzo, è sostituita dall'idea di un'onda di probabilità per rilevare una microparticella a un certo punto dello spazio.
Le radici storiche del dualismo corpuscolare-onda dovrebbero essere considerate una forma specifica di movimento dei fotoni nello spazio lungo una traiettoria elicoidale e la costante di Planck.
L'incomprensione dell'essenza fisica della costante di Planck e una serie di errori grossolani nella fisica teorica dell'inizio del XX secolo hanno portato a idee errate, una delle quali era la dualità onda-particella.
Ad oggi, non ci sono prove logicamente corrette e sperimentali della dualità onda-particella in natura.
Per quanto riguarda la "teoria quantistica", è più simile a un'astrazione matematica che approssima con successo i dati empirici.
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Lyamin VS , Lyamin D.V. Lvov
La dualità onda-particella della luce significa che la luce ha simultaneamente le proprietà di continua onde elettromagnetiche e proprietà dei fotoni discreti. Questa conclusione fondamentale è stata fatta dai fisici nel 20° secolo e seguita da precedenti idee sulla luce. Newton credeva che la luce fosse un flusso di corpuscoli, cioè un flusso di particelle di materia volanti rettilinee. Tale teoria spiegava bene la propagazione rettilinea della luce. Ma sorsero difficoltà nello spiegare le leggi della riflessione e della rifrazione, e i fenomeni della diffrazione e dell'interferenza non potevano essere spiegati affatto dalla teoria corpuscolare. Pertanto, è nata la teoria ondulatoria della luce. Questa teoria spiegava la diffrazione e l'interferenza, ma c'erano difficoltà nello spiegare la luce rettilinea. Solo nel XIX secolo J. Fresnel, utilizzando le scoperte di altri fisici, riuscì a combinare i principi già derivati in un'unica teoria, secondo la quale la luce è un'onda meccanica trasversale. Maxwell in seguito scoprì che la luce è un tipo di radiazione elettromagnetica. Ma all'inizio del 20° secolo, grazie alle scoperte di Einstein, le idee sulla luce sono cambiate di nuovo. La luce iniziò ad essere intesa come un flusso di fotoni. Ma alcune proprietà della luce erano anche perfettamente spiegate dalla teoria delle onde. La luce ha proprietà sia corpuscolari che ondulatorie. Allo stesso tempo, esistono le seguenti regolarità: più corta è la lunghezza d'onda, più luminose si manifestano le proprietà corpuscolari, più lunga è la lunghezza d'onda, più luminose si manifestano le proprietà dell'onda.
Secondo de Broglie, ogni microoggetto è associato, da un lato, a caratteristiche corpuscolari - energia E e quantità di moto p, e dall'altro - caratteristiche d'onda - frequenza e lunghezza d'onda.
Nel 1924 il fisico francese L. de Broglie avanzò un'ipotesi audace: la dualità onda-particella ha un carattere universale, cioè tutte le particelle con momento finito P hanno proprietà ondulatorie. Così è apparsa in fisica la famosa formula di de Broglie dove m è la massa di una particella, V è la sua velocità, h è la costante di Planck.
Così, le proprietà corpuscolari e ondulatorie di un microoggetto sono incompatibili rispetto alla loro manifestazione simultanea, tuttavia caratterizzano ugualmente l'oggetto, cioè si completano a vicenda. Questa idea è stata espressa da N. Bohr e da lui posta alla base del principio metodologico più importante scienza moderna, che attualmente copre non solo le scienze fisiche, ma tutte le scienze naturali - principio di complementarità (1927). essenza Il principio di complementarità secondo N. Bohr si riduce a quanto segue: non importa quanto i fenomeni vadano oltre il quadro della spiegazione fisica classica, tutti i dati sperimentali devono essere descritti usando concetti classici. Per una descrizione completa dei fenomeni della meccanica quantistica, è necessario applicare due insiemi (aggiuntivi) di concetti classici che si escludono a vicenda, la cui totalità dà il massimo informazioni complete su questi fenomeni come olistici.
Il principio di complementarietà principio generale la conoscenza può essere formulata come segue: qualsiasi vero fenomeno della natura non può essere definito in modo univoco usando le parole della nostra lingua e richiede almeno due concetti aggiuntivi che si escludono a vicenda per la sua definizione. Tali fenomeni includono, ad esempio, i fenomeni quantistici, la vita, la psiche, ecc. Bohr, in particolare, ha visto la necessità di applicare il principio di complementarità in biologia, che è dovuto alla struttura e alle funzioni estremamente complesse degli organismi viventi, che forniscono loro con possibilità nascoste praticamente inesauribili.