Дуализм волна-частица и его доказательства

Биология » Концепции современного естествознания » Дуализм волна-частица и его доказательства

В классической физике все процессы дробимы и непрерывны – кроме колебательных. Натянем между двумя точками струну и приведём её в движение. Разнообразие простых колебаний, которые можно получить таким образом, бесконечно большое, но ограниченное условием - половина длины волны должна укладываться на расстоянии между точками прикрепления один, или два, или три - n раз, где n – целое число от 1 до бесконечности. Не волновые ли процессы лежат в основе постулатов Бора?

В 1923 - 1925 гг. Луи де Бройль высказал идею, что не только квант света, - все элементарные частицы являются одновременно и частицами и волнами, причём длина волны очень просто зависит от импульса частицы: λ = h/p, где h – постоянная Планка, р – импульс.

В том, что электромагнитный квант – частица, физиков убедил эффект Комптона, открытый в 1923 г. Квант рентгеновского излучения, попадая в электрон, теряет часть своей энергии и переизлучается с меньшей частотой. Энергия тратится на то, чтобы электрон разогнать. Весь процесс можно описать как столкновение упругих шариков на основании закона сохранения импульса.

Элементарных частиц тогда было всего-то три – квант света, фотон (он получил это название в 1921 г.), электрон и протон – Резерфорд “окрестил” его в 1920 г.

В таком случае, длина волны электрона в атоме, полученная из его импульса, действительно оказывалась близкой к окружности атома. Правда, перед нами объяснение неизвестного через непонятное, и первый вопрос, который тут же возникает: частица – это колебание чего? Но здесь можно спрятаться в “убежище невежества”. Главное другое – как одна и та же вещь может быть и волной, и частицей? Противоречивость этих двух понятий слишком очевидна, чтобы её разъяснять. С другой стороны, если фотон – частица, то почему его энергия определяется через частоту колебаний? А если электромагнитная волна, то почему вышибает электрон из атома?

Де Бройль знал о существовании математического аппарата, который в классической физике позволяет описать движение ансамбля материальных точек волновыми функциями (преобразования Гамильтона и Лагранжа). Правда, использовать его никто не пытался – не было в этом никакого физического смысла, но в принципе это возможно. И если электроны в атоме представить так, то квантовое число n может быть просто числом стоячих волн в атоме – и тогда загадка квантовых скачков решена! Де Бройль показал, что электрон может быть представлен стоячей волной.

Это “может быть” означает не только то, что данное положение не доказано экспериментально, но и то, что из такого допущения нет никаких проверяемых теоретических следствий.

Де Бройль предположил, что частица – это суперпозиция (наложение) многих мелких волн, которые дают единственную пучность. Теорема о разложении в ряды и интегралы Фурье утверждает, что любая достаточно гладкая функция может быть представлена как суперпозиция (сумма или интеграл) гармонических функций с различными частотами. Правда между математикой и физикой есть та существенная разница, что физика не произвольна в выборе функций. “Волновой пакет”, который удовлетворял бы условиям движущегося электрона, ни де Бройлю, ни кому другому получить не удалось.

Итак, в 1923-24 гг. де Бройль удивляет физиков математическими фокусами. Однако волновые свойства электрона чуть позже были доказаны экспериментально – в 1927 г. американцы К. Дэвиссон и Л. Джермер и независимо от них англичанин Джордж Томсон (Джи-Пи Томсон, сын Джи-Джи Томсона) открыли дифракцию электрона. Длина волны электрона в точности соответствовала формуле де Бройля.

Сложившаяся ситуация получила название “корпускулярно-волновой дуализм”. Слово “дуализм следует переводить как “двойственность”.


Другое по теме:

Пискулька (Anser erytropus)
Распространена в Северной Евразии от Норвегии к востоку до Чукотского хребта. К югу до северной границы лесной зоны. В Азии бывает зимой в южной части КНР, в Корее и Японии. Занимает открытые пространства богатые кормами, а также степи и ...

Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов
Прежнее деление организмов на растения и животные устарело. Современная биология выделяет от четырех до семи и более царств живой природы: вирусы, архебактерии, эубактерии, протисты, растения, грибы и животные. Вирусы относятся к доклето ...

Из истории исследований по клонированию животных
Возможность клонирования животных доказал Дж. Гердон, английский биолог, который первым сумел получить клонированные эмбрионы шпорцевых лягушек. Он выжигал ультрафиолетом ядра икринок и затем подсаживал в них ядра, выделенные из клеток эп ...