Dualidade onda-partícula

Mecânica quântica
Dualidade onda-partícula
Introdução Glossário · História
Fundo Notação Bra-ket A mecânica clássica Hamiltonian Interferência Velha teoria quântica
Conceitos fundamentais Complementaridade Decoherence Não-localidade Estado quântico Sobreposição Tunnelling Incerteza Função de onda
Experiências Desigualdade de Bell Davisson-Germer Escolha adiada apagador quântico Dupla fenda Franck-Hertz experimento Mach-Zehnder Inter. Elitzur-Vaidman Popper Borracha Quantum O gato de Schrödinger Stern-Gerlach Escolha retardada de Wheeler
Formulações Formulações Heisenberg Interação Mecânica matricial Schrödinger Soma de histórias Espaço de fase
Equações Dirac Klein-Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Interpretações Interpretações (Resumo) Causou-Consciousness Histórias consistentes Copenhague de Broglie-Bohm Conjunto Variáveis ocultas Muitos mundos Objetivo colapso Pondicherry Lógica quântica Relacional Stochastic Transacional
Tópicos avançados Caos quântico Teoria quântica de campos Ciência da informação quântica Teoria de espalhamento Mecânica quântica fracionários
Os cientistas Sino Blackett Bogolyubov Bohm Bohr Bardeen Nascido Bose de Broglie Compton Tanoeiro Dirac Dyson Davisson Duarte Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Hertz Heisenberg Hilbert Jordânia Klitzing Kusch Kramers von Neumann Pauli Cordeiro Laue Laughlin Moseley Millikan Onnes Planck Raman Rydberg Salam Schrödinger Störmer Shockley Schrieffer Shull Sommerfeld Thomson Tsui Tomonaga Weyl Enfermaria Wien Wigner Zeeman Zeilinger

Em física e química , dualidade onda-partícula é o conceito que todos matéria e energia exposições ambos onda -como e propriedades de partícula semelhante. Um conceito central da mecânica quântica , a dualidade aborda a inadequação dos conceitos clássicos como "partícula" e "onda" em descrever completamente o comportamento de objetos. Vário interpretações da mecânica quântica tenta explicar esta aparente paradoxo.

A idéia da dualidade está enraizada em um debate sobre a natureza da luz e a matéria remonta a 1600, quando as teorias concorrentes de luz foram propostas pelo Christiaan Huygens e Isaac Newton . Através do trabalho de Albert Einstein , Louis de Broglie, e muitos outros, a teoria científica atual sustenta que todas as partículas também têm uma natureza ondulatória. Este fenómeno tem sido verificada, não só para as partículas elementares, mas também para as partículas compostas, como átomos de e até mesmo moléculas. Na verdade, de acordo com formulações tradicionais de não-relativística mecânica quântica, dualidade onda-partícula se aplica a todos os objetos, mesmo os macroscópicas; não podemos detectar propriedades de onda de objetos macroscópicos devido aos seus pequenos comprimentos de onda.

Richard Feynman enfatizou a natureza corpuscular da luz, afirmando que é "muito importante saber que a luz se comporta como partículas, especialmente para aqueles de vocês que têm ido para a escola, onde você estava provavelmente disse algo sobre a luz se comportar como ondas."

Breve história

O esboço de Thomas Young de dois fenda difração de ondas de 1803.

No final do século 19, o caso de teoria atômica, que a matéria era feita de objetos de partículas ou átomos , estava bem estabelecida. Electricidade, primeiro pensado para ser um fluido, foi agora entendido como consistem em partículas chamadas elétrons , como demonstrado por JJ Thomson que, liderada por sua pesquisa sobre a obra de Ernest Rutherford , havia descoberto usando raios catódicos que uma carga elétrica seria realmente viajar através de um vácuo do cátodo para o ânodo. Em breve, entendeu-se que muito da natureza foi feita de partículas. Ao mesmo tempo, as ondas foram bem entendido, em conjunto com fenómenos de onda, tais como e difracção interferência. Luz foi acreditado para ser uma onda, como Thomas Young experiência da dupla fenda e efeitos como Difração de Fraunhofer tinha demonstrado claramente a natureza da luz wave-like.

Mas como o século 20 virou, os problemas tinham surgido. Albert Einstein análise da 's efeito fotoelétrico em 1905 demonstrou que a luz propriedades da partícula semelhante também possuía, e este foi ainda confirmada com a descoberta do Espalhamento Compton em 1923. Mais tarde, a difracção de electrões seria previsto e confirmado experimentalmente, mostrando assim que os electrões devem ter propriedades de onda semelhante em adição às propriedades das partículas.

Esta confusão sobre partícula contra propriedades de onda foi finalmente resolvido com o advento eo estabelecimento de mecânica quântica na primeira metade do século 20, que em última análise explicou dualidade onda-partícula. É fornecido um único arcabouço teórico unificado para compreender que toda a matéria pode ter características associadas com partículas e ondas, como explicado abaixo. Até o final do século 20 resultados extremamente precisos foram obtidos quantificar essa dualidade, na forma do Englert-Greenberger relação de dualidade.

Marcos de desenvolvimento

Huygens e Newton

A mais antiga teoria abrangente da luz foi avançada pelo Christiaan Huygens, que propôs um teoria ondulatória da luz, e, em particular, demonstrou como as ondas podem interferir para formar uma frente de onda, propagando em uma linha reta. No entanto, a teoria teve dificuldades em outros assuntos, e logo foi ofuscado por Isaac Newton 's teoria corpuscular da luz. Ou seja, Newton propôs que a luz consistia em pequenas partículas, com o qual ele poderia facilmente explicam o fenómeno da reflexão. Com muito mais dificuldade, ele também poderia explicar através de uma refracção lente, e a divisão da luz do sol em um arco-íris por um prisma. Ponto de vista das partículas de Newton foi essencialmente incontestada há mais de um século.

Young, de Fresnel, e Maxwell

No início dos anos 1800, o experimentos da dupla fenda por Young e Fresnel fornecida evidência de Teorias onda Huygens: estas experiências mostraram que, quando a luz é enviada através de uma rede, uma característica padrão de interferência é observado, muito semelhante ao padrão resultante da interferência de ondas de água; o comprimento de onda da luz pode ser calculado a partir desses padrões. A visão de onda não imediatamente deslocar a visão de raios X e de partículas, mas começou a dominar o pensamento científico sobre a luz em meados de 1800, uma vez que poderia explicar os fenômenos de polarização que as alternativas não podia.

Maxwell , durante a década de 1800, explicou a luz como a propagação de ondas eletromagnéticas de acordo com as equações de Maxwell . Essas equações foram verificados pela experiência, e vista de Huygens tornou-se amplamente aceito.

A fórmula de Planck para a radiação de corpo negro

Em 1901, Max Planck publicou uma análise que conseguiu reproduzir o observado espectro da luz emitida por um objeto de incandescência. Para conseguir isso, Planck teve que fazer uma suposição matemático ad hoc de energia quantizada dos osciladores (átomos do corpo negro) que emitem radiação. Foi Einstein que mais tarde proposto que é a própria radiação electromagnética que é quantizado, e não a energia de átomos radiantes.

A explicação de Einstein do efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico. Fótons à esquerda atacar uma placa de metal (parte inferior), e ejetar elétrons, descritos como voando para a direita.

Em 1905, Albert Einstein fornecida uma explicação do efeito fotoelétrico, uma experiência até então preocupante que a teoria ondulatória da luz parecia incapaz de explicar. Ele fez isso ao postular a existência de fótons , quanta de energia luminosa com qualidades de partículas.

No efeito fotoeléctrico, observou-se que uma luz que brilha em certos metais conduziria a um corrente elétrica em um circuito. Presumivelmente, a luz foi batendo electrões para fora do metal, causando o fluxo de corrente. No entanto, foi também observado que, enquanto uma luz azul escura foi suficiente para causar uma corrente, o mesmo, mais brilhante da luz vermelha mais forte causada nenhuma corrente de todo. De acordo com a teoria de onda, a força ou a amplitude de uma onda de luz estava em proporção do contraste: uma luz brilhante deveria ter sido facilmente forte o suficiente para criar uma grande corrente. No entanto, estranhamente, não foi assim.

Einstein explicou este enigma por postulando que os elétrons podem receber energia a partir de campo eletromagnético apenas em porções discretas (quanta que foram chamados fótons ): uma quantidade de energia E que estava relacionada com a frequência, f da luz por

onde h é Constante de Planck (6,626 x 10 ^-34 segundos J). Somente os fótons de uma freqüência alta o suficiente, (acima de um determinado valor limite) poderia arrancar um elétron livre. Por exemplo, os fótons de luz azul teve energia suficiente para liberar um elétron do metal, mas os fótons de luz vermelha não. Luz mais intensa acima da frequência limite poderia liberar mais elétrons, mas nenhuma quantidade de luz abaixo da frequência limite poderia liberar um elétron.

Einstein foi premiado com o Prêmio Nobel de Física em 1921 por sua teoria do efeito fotoelétrico.

A hipótese de De Broglie

Em 1924, Louis-Victor de Broglie formulou a hipótese de Broglie, alegando que toda a matéria, e não apenas de luz, tem uma natureza wave-like; ele relacionado comprimento de onda (como denotado λ), e o impulso (denotado como p):

Esta é uma generalização da equação de Einstein acima, uma vez que o impulso de um fotão é dada por P = e o comprimento de onda por λ = , Em que c é a velocidade da luz no vácuo.

A fórmula de De Broglie foi confirmada três anos depois por elétrons (que diferem de fótons em ter um massa de repouso) com a observação de difração de elétrons em dois experimentos independentes. No Universidade de Aberdeen, George Paget Thomson passou um feixe de elétrons através de uma película fina de metal e observou os padrões de interferência previstos. Em Bell Labs Clinton Joseph Davisson e Lester Germer Halbert guiada seu feixe através de uma rede cristalina.

De Broglie foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física em 1929 por sua hipótese. Thomson e Davisson dividiu o Prêmio Nobel de Física em 1937 por seu trabalho experimental.

Princípio da incerteza de Heisenberg

Em seu trabalho sobre a formulação da mecânica quântica, Werner Heisenberg postulou sua O princípio da incerteza, que afirma:

onde

aqui indica o desvio padrão , uma medida de propagação ou incerteza;

X e p são uma posição de partícula e de movimento linear , respectivamente.

é o reduzida constante (constante de Planck de Planck dividido por 2 ).

Heisenberg originalmente explicou isso como uma conseqüência do processo de medição: Posição Medir com precisão iria perturbar impulso e vice-versa, oferecendo um exemplo (o "microscópio de raios gama") que dependia fundamentalmente da hipótese de Broglie. Compreende-se agora, no entanto, que esta apenas em parte explica o fenómeno: a incerteza existe também na própria partícula, mesmo antes de a medição é feita.

Na verdade, a explicação moderna do princípio da incerteza, estendendo-se a Interpretação de Copenhague apresentada pela primeira vez por Bohr e Heisenberg, depende ainda mais central na natureza onda de uma partícula: Assim como não faz sentido discutir a localização precisa de uma onda em uma corda, as partículas não têm posições perfeitamente precisas; Da mesma forma, da mesma maneira que faz sentido para discutir o comprimento de onda de "impulsos" onda que se desloca para baixo uma cadeia, partículas não têm momentos perfeitamente preciso (o que corresponde ao inverso do comprimento de onda). Além disso, quando a posição é relativamente bem definida, a onda é do tipo por impulsos e tem um comprimento de onda muito mal definidos (e, portanto, impulso). E inversamente, quando o impulso (e, portanto, o comprimento de onda) é relativamente bem definida, a onda sinusoidal e parece longo e, portanto, tem uma posição muito mal definida.

O próprio De Broglie propôs um onda piloto construir para explicar a dualidade onda-partícula observada. Nesta perspectiva, cada partícula tem uma posição bem definida e impulso, mas é guiado por uma função de onda derivada de A equação de Schrödinger. A teoria da onda piloto foi inicialmente rejeitado porque gerou efeitos não-locais, quando aplicada a sistemas que envolvam mais de uma partícula. Não-localidade, no entanto, logo se estabeleceu como um elemento integral de teoria quântica (veja EPR paradoxo), e David Bohm estendeu modelo de Broglie para incluí-lo explicitamente. Na mecânica Bohmian, a dualidade onda-partícula não é uma propriedade da matéria em si, mas uma aparência gerada pelo movimento do sujeito da partícula a uma equação orientador ou potencial quântico.

Comportamento onda de grandes objetos

Desde as manifestações de propriedades wave-like em fótons e elétrons , experimentos similares foram realizados com nêutrons e prótons . Entre os experimentos mais famosos são os de Estermann e Otto Stern em 1929. Os autores dos recentes experimentos semelhantes com átomos e moléculas, descritos a seguir, afirmam que essas partículas maiores também atuam como ondas.

Uma série dramática de experimentos enfatizando a ação da gravidade em relação a dualidade onda-partícula foram realizadas na década de 1970, usando o interferômetro de nêutrons. Os neutrões, um dos componentes do núcleo atómico , fornecem a maior parte da massa do núcleo e, portanto, da matéria vulgar. No interferómetro de neutrões, eles agem como ondas de mecânica quântica directamente sujeitos à força da gravidade. Embora os resultados não foram surpreendentes já que a gravidade era conhecido por agir em tudo, incluindo a luz (ver testes da relatividade geral ea Pound-Rebka caindo experimento fóton), a auto-interferência da onda mecânica quântica de um fermion enorme em um campo gravitacional nunca tinha sido confirmada experimentalmente antes.

Em 1999, a difração de C ₆₀ fulerenos por pesquisadores da Universidade de Viena foi relatada. Os fulerenos são comparativamente objetos grandes e maciças, com uma massa atómica de cerca de 720 u. O comprimento de onda de Broglie é de 2,5 pm, enquanto que o diâmetro da molécula é de cerca de 1 nm, cerca de 400 vezes maior. A partir de 2005, este é o maior objeto para o qual propriedades wave-like da mecânica quântica foram diretamente observadas em campo distante difração.

Em 2003, o grupo de Viena também demonstrou a natureza onda de tetrafenilporfirina - um biodye plana com uma extensão de cerca de 2 nm e uma massa de 614 u. Para esta demonstração, empregavam um near-field Talbot Lau interferômetro. No mesmo interferômetro eles também encontraram franjas de interferência para C ₆₀ F _48., um fluorado buckyball com uma massa de cerca de 1600 u, composto por 108 átomos de moléculas grandes já são tão complexos que eles dão acesso experimental a alguns aspectos da interface quântico-clássico, ou seja, a certos mecanismos de decoerência.

Se os objetos mais pesados do que o Massa de Planck (sobre o peso de uma grande bactéria) tem um comprimento de onda de Broglie é teoricamente claro e experimentalmente inacessível; acima da massa de uma partícula de Planck Compton comprimento de onda seria menor do que o Comprimento de Planck e sua própria Raio de Schwarzschild, uma escala na qual as atuais teorias da física pode quebrar ou precisam ser substituídas por outras mais gerais.

Tratamento em mecânica quântica moderna

Dualidade onda-partícula está profundamente enraizado nos fundamentos da mecânica quântica , tão bem que os praticantes modernos raramente discutem-lo como tal. No formalismo da teoria, todas as informações sobre uma partícula é codificado na sua função de onda, uma função complexa aproximadamente análogo para a amplitude de uma onda em cada ponto no espaço. Esta função evolui de acordo com a equação diferencial (genericamente chamado de Equação de Schrödinger), e esta equação dá origem a fenómenos como a interferência e difração, como acenar-.

O comportamento da partícula semelhante é mais evidente devido a fenómenos associados medição na mecânica quântica. Após a medição da localização da partícula, a função de onda será aleatoriamente " colapso "para uma função fortemente repicado em algum local, com a probabilidade de qualquer local específico igual ao quadrado da amplitude da onda-função lá. A medição retornará uma posição bem definida, uma propriedade tradicionalmente associado com as partículas.

Embora esta imagem é um pouco simplificado (para o não-relativista caso), é adequada para captar a essência do pensamento atual sobre os fenômenos historicamente chamados de "dualidade onda-partícula". (Veja também: Formulação matemática da mecânica quântica.)

Pontos de vista alternativos

Exibição somente de partículas

O modelo de onda piloto, originalmente desenvolvido pela Louis de Broglie e desenvolvido por Bohm propõe que não há dualidade, mas sim partículas são guiados por uma onda piloto, que irá encaminhá-los para áreas de interferência construtiva. Esta idéia é apoiada como um desdobramento de determinismo e é realizada por uma minoria significativa dentro da comunidade da física.

Pelo menos um físico considera a "onda-dualidade" um equívoco, como L. Ballentine, Mecânica Quântica, um desenvolvimento moderno, p.4, explica:

Quando descoberto pela primeira vez, partícula de difração foi uma fonte de grande perplexidade. São "partículas" realmente "ondas"? Nas primeiras experiências, os padrões de difracção foram detectados holisticamente por meio de uma placa fotográfica, a qual não pode detectar partículas individuais. Como resultado, a noção de que cresceu de partículas e propriedades de onda foram incompatíveis entre si, ou complementar, no sentido de que diferentes aparelhos de medição seria necessário para os observar. Essa idéia, no entanto, foi apenas uma generalização infeliz de uma limitação tecnológica. Hoje em dia, é possível detectar a chegada de electrões individuais, e ver o padrão de difracção de emergir como um padrão estatística composta de pequenos pontos (Tonomura et ai., 1989). Evidentemente, as partículas quânticas são de fato partículas, mas cujo comportamento é muito diferente da física clássica nos faria esperar.

Proeminente físico Richard Feynman escreveu:

Quero enfatizar que a luz vem nesta forma-partículas. É muito importante saber que a luz se comporta como partículas, especialmente para aqueles de vocês que têm ido para a escola, onde você estava provavelmente disse algo sobre se comportar como ondas de luz. Eu estou dizendo a você da maneira que faz as partículas se comportam-like.

Onda-only vista

Pelo menos um cientista propõe que a dualidade pode ser substituída por uma visão "onda-only". Eletrodinâmica Coletivos de Carver Mead: Fundações quânticos de Eletromagnetismo (2000) analisa o comportamento de elétrons e fótons puramente em termos de funções de onda do elétron, e atribui o comportamento da partícula semelhante aparente para quantização efeitos e eigenstates. De acordo com o avaliador David Haddon:

Mead cortou o nó górdio da complementaridade quântica. Ele afirma que os átomos, com seus nêutrons, prótons e elétrons, não são partículas, mas em todas as ondas puras de matéria. Mead cita como evidência bruta da onda exclusivamente natureza da luz e importa a descoberta entre 1933 e 1996, de dez exemplos de fenômenos ondulatórios puros, incluindo o laser onipresente de CD players, as correntes elétricas de auto-propagação de supercondutores, eo Bose condensado -Einstein de átomos.

Aplicações

Embora seja difícil traçar uma linha de separação entre dualidade onda-partícula do resto da mecânica quântica, é no entanto possível listar algumas aplicações desta ideia básica.

• Dualidade onda-partícula é explorada em microscopia electrónica, em que os pequenos comprimentos de onda associados com o electrões pode ser utilizado para visualizar os objectos mais pequenos do que o que é visível com a luz visível.

• Da mesma forma, difração de nêutrons utiliza nêutrons com um comprimento de onda de cerca de um ångström, o espaçamento típico de átomos em forma de um sólido, para determinar a estrutura dos sólidos.