Корпускулярно-волновой дуализм

По-иному шла история развития представлений о природе света и оптических явлениях. Напомним, что Аристотель считал, что свет – это движение волн, распространяющихся в некоторой непрерывной среде – эфире. Однако в дальнейшем И. Ньютон, быв­ший, как и большинство, ученых того времени, сторонником атом-но-корпускулярной концепции строения вещества, считал, что свет представляет собой поток частиц-корпускул, движущихся прямолинейно. Такая точка зрения, в частности, хорошо объясняла законы геометрической оптики. Однако при изучении других оптических явлений накапливались факты о таких процессах, как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света, которые, напротив, легко было объяснить, исходя из того, что свет – волновое движение через некоторое не­обычное вещество – эфир.

Во второй половине XIX в. точку в вопросе о природе света поставил Дж. Максвелл, который, создав теорию электромагнетизма, доказал, что свет представляет собой электромагнитное поле, распространяющееся в виде волн. То есть была открыта новая материаль­ная субстанция – поле, свойства и законы движения которой в соответствии с развитой Дж. Максвеллом электродинамикой соответствовали в большей мере континуальной, непрерывной концепции Аристотеля.

Таким образом, к концу XIX в. сложилась следующая ситуация и изучении природы материи. Оказалось, что материя предстает в виде двух форм – вещественной и полевой с существенно разнымисвойствами, при этом вещественная форма материи находит объяснение в рамках корпускулярной, а полевая – напротив, в рамках континуальной концепции.

Начало XX в. ознаменовалось столькими неожиданными открытиями в изучении вещества и поля, полностью изменившими представления о природе материи. Вначале это относилось к световым, электромагнитным явлениям, в частности, к излучению абсолютно черного тела и фотоэффекту. Как известно, для объяснения излучения абсолютно черного тела М. Планку в 1900 г. и фотоэффекта Л. Эйнштейну в 1905 г. пришлось принять, что свет в ряде случаев ведет себя как поток отдельных частиц – фотонов (корпускул), а не как волна.

Таким образом, при рассмотрении электромагнитного поля воз­никло представление о корпускулярно-волновом дуализме. Причем при больших длинах волн электромагнитного излучения в большей мере проявляются непрерывные (континуальные) волновые свойства света, а при малых (рентгеновские и γ –лучи) – дискретные (корпускулярные), квантовые свойства.

Так физика начала XX в. открыла диалектическое единство двух классических противоположностей – частиц и волн

После установления такого удивительного факта французский физик Луи де Бройль, опираясь на законы симметрии в природе в 1923 г. выдвинул совершенно радикальную идею – идею распространения принципа корпускулярно-волнового дуализма света на все вещественные частицы микромира, имеющие массу покоя, – электроны, протоны и т.д. Таким образом, де Бройль предположил, что любые частицы вещественной материи наряду с корпускулярными (массой, импуль­сом, энергией) обладают также волновыми свойствами (частотой и длиной волны X). Причем так же, как и для фотонов, энергия (Е) и импульс (р) частиц вычисляются по формулам

Е = hω, p = h/ λ.

Откуда для так называемой длины волны де Бройля было получено выражение λ = h/p.

Вскоре гипотеза де Бройля нашла замечательное экспериментальное подтверждение. К. Дэвиссон и Л. Джермер открыли дифракцию электронов на кристаллах, т.е. доказали существование волновых свойств у частиц – электронов. А в даль­нейшем дифракционные (волновые) явления были обнаружены и у других атомных частиц. Оказалось, что наличие волновых свойств у микрочастиц-корпускул – это универсальное явление, общее свойство материи.

Наконец, созданные в 20-е гг. XX в. новые фундаментальные квантовые теории микромира–квантовая механика и квантовая теория поля (квантовая электродинамика) – показали, что корпускулярно-волновой дуализм в микромире отражает глубинную взаимосвязь материальных субстанций — вещества и полей и, в конечном счете, свидетельствует о единстве материи, проявляясь во взаимодействии частиц и полей таким образом, что кванты полей при взаимодействии с веществом могут исчезать, образуя пары вещественных частиц (электрон–позитрон, протон–антипротон), точно так же, как и вещественные частицы, в результате аннигиляции могут превращаться в кванты полей.

Таким образом, сформулированные еще древними греками две концепции взглядов на природу материи, несмотря на кажущиеся противоречия между ними, обе оказались справедливыми, но только отражающими две разные стороны единой материи.

Гипотеза о волновом характере движения микрочастиц впервые была выдвинута Луи де Бройлем в 1924г. Для доказательства их волновой природы в 1925 г. немецкий физик Эльзассер предложил использовать кристаллы для наблюдения дифракции электронов. А в 1927г. К Дэвинсон вместе со своим сотрудником Л.Джермером открыл явление дифракции электронов на кристалле никеля Независимо от него Дж. П. Томсон открыл явление дифракции электронов при прохождении через металлическую фольгу. Таким образом, идея де Бройля о волновых свойствах вещества нашла экспериментальное подтверждение. В 1937г. К Девинсон и Дж. П. Томсон были удостоены Нобелевской премии по физике.

Впоследствии дифракционные, а значит волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.

Микрочастицами называют элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и др.), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (ядра, атомы).

Микрочастица с энергией Е = mс² и импульсом р = mv ведет себя подобно волне с частотой v = E/h и длиной волны λ= h/p, где h – постоянная Планка (h = 6,626 • 10^-34 Дж/Гц) Например, если направить на преграду с двумя узкими щелями (порядка длины волны λ.) пучок микрочастиц (например, электронов) обладающих одинаковой кинетической энергией

В развитие идей о волновых свойствах вещества Э Шредингер в 1926 г. получил свое знаменитое уравнение. Шредингер сопоставил движению микрочастицы комплексную функцию координат и времени, которую он назвал волновой функцией и обозначил греческой буквой «пси» (ψ). Она характеризует состояние микрочастицы.Интерпретацию ψ – функции дал М. Борн в 1926г. Согласно Борну, квадрат модуля пси-функции в пределах некото­рого объема определяет вероят­ность того, что частица будет об­наружена в пределах этого объема. Например, форма электронных облаков в атомах определяется ψ – функцией электронов. Таким образом, состояние микрообъекта описывается статистически и вол­новая функция содержит всю информацию о корпускулярных и вол­новых его свойствах. Вид функции получается из решения уравнения Шредингера, которое является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики.Оно не может быть выведено из других соотношений Его следует рассматривать как исходное предположение, справедливость которого доказывается тем, что все, вытекающие из него следствия, самым точным образом согласуются с опытными фактами. Уравнение Шредингера описывает взаимодействие электронов с ядрами атомов, описывает форму электронных оболочек атомов и ионов, химическую связь и строение молекул.

Волновая природа частиц отражается и в соотношениях неопределенностей, полученных в 1927 г. Гейзенбергом – ∆х∆р≥h/2,∆E∆t≥h/2, где ∆х – неопределенность координат, ∆р – неопределенность импульса, ∆Е – неопределенность энергии и ∆t – неопределенность времени.