Корпускулярно-волнового дуализм

Вопрос №20. Корпускулярно-волнового дуализм. 
 
К 17 в. Сложились две основные теории света:  
1)теория корпускулярная.  
Основоположник Ньютон.  
Свет рассматривается как поток частиц.  
2)волновая концепция.  
Основоположник К. Гюигенц.  
 
Итак, в первой четверти XX в., сложилась концепция корпускулярно-волнового дуализма. Свет рассматривается как реальный физический объект, который не сводится ни к волне, ни к частице в классическом смысле, обладая одновременно волновыми свойствами непрерывных электромагнитных волн, приводящих к интерференции и дифракции, и квантовыми свойствами дискретных фотонов, объясняющими фотоэффект и эффект Комптона.  
 
При этом обнаруживается важная закономерность этих проявлений свойств света: чем больше частота излучения, чем больше энергия и импульс фотона, тем ярче выражены квантовые свойства света и тем труднее наблюдать его волновые свойства. Наибольшей частотой и энергией, как уже говорилось, обладает гамма-излучение, для которого чаще используется термин гамма-частицы (). Данный символ () используется и для обозначения фотона как микрочастицы.  
 
Столь же парадоксальной, но верной, оказалась Гипотеза Луи де Бройля, французского физика, предположившего в 1924 г., что корпускулярно-волновой дуализм свойствен всем материальным объектам, а, следовательно, и частицам вещества. Частице с импульсом соответствует волновой процесс, причем характеризующая его длина волны λ.  
Корпускулярно-волновой дуализм стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных (масса, импульс), так и волновых (длина волны, частота) характеристик. Константой связи этих двух аспектов является постоянная Планка.  
 
Правильность гипотезы де Бройля подтверждена в 1927 г. наблюдением дифракции электронов. Это позволило определить границы применимости классической механики. Для макрообъектов длина волны оказывается настолько маленькой, что их волновые свойства невозможно обнаружить, а следовательно, корпускулярно-волновой дуализм для них не проявляется. Микрочастицы проявляют свои волновые свойства, если размеры областей их движения сравнимы с длиной волны, рассчитанной по формуле) (например, электрон в атоме или в твердом теле).  
 
Всякий микрообъект отличается от макротела тем, что сочетает в себе свойства частицы и волны, но при этом «не ведет себя ни как волна, ни как частица». Отличие микрочастицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое (волну можно разделить, например, направив на полупрозрачное зеркало). Отличие микрочастицы от макротела состоит в том, что она не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, к ней неприменимо понятие траектории. Для микрочастицы ограничено применение классических параметров механического состояния – координаты и импульса.

Важнейшее универсальное свойство природы, заключающееся в том, что всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные и волновые характеристики. Так, напр., электрон, нейтрон, фотон в одних условиях проявляются как частицы, движущиеся по классич. траекториям и обладающие определ. энергией и импульсом, а в других - обнаруживают свою волновую природу, характерную для явлений интерференции и дифракции частиц. В качестве первичного принципа К.-в. д. лежит в основе квантовой механики и квантовой теории поля.

Впервые К.-в. д. был установлен для света. Выполненные к кон. 19 в. опыты по интерференции, дифракции и поляризации света, казалось, однозначно свидетельствовали о его волновой природе и подтверждали теорию Максвелла, установившую, что свет представляет собой эл.-магн. волны. Вместе с тем М. Планк (М. Planck) в 1900 показал, что для объяснения закона равновесного теплового излучения необходимо принять гипотезу о дискретном характере излучения, полагая, что энергия излучения кратна нек-рой величине е, названной им квантом энергии:   , где   - частота волны, a - постоянная, имеющая размерностьдействия и названная позже Планка постоянной. Впоследствии выяснилось, что более удобной является величина  эрг*с, тогда   - круговая частота волны. Поскольку предположение о дискретном характере излучения противоречило волновой теории света, согласно к-рой энергия световой волны может принимать любые (непрерывные) значения, пропорциональные квадрату амплитуды эл.-магн. колебаний, Планк сначала связывал дискретность энергии излучения со свойствами излучателей (атомов). Однако в 1905 А. Эйнштейн (A. Einstein), исходя из экспериментально установленного Вина закона излучения (к-рый является предельным случаем Планка закона излучения,справедливым при больших частотах:  , где Т- абс. темп-pa), показал, что энтропия излучения в области справедливости закона Вина совпадает с энтропией газа, состоящего из частиц с энергией   . Так возникло представление о частицах света - фотонах, несущих квант энергии   и движущихся со скоростью света. В дальнейшем, исходя из релятивистской кинематики, фотонам был приписан импульс   [где n - единичный вектор вдоль направления движения фотона,   - волновой вектор]. Представление о фотонах было успешно использовано для объяснения законов фотоэффекта и спектров тормозного рентг. излучения; оно получило окончат. подтверждение после открытия Комптона эффекта(1922). Т. о., было установлено, что эл.-магн. излучение наряду с волновыми обладает корпускулярными свойствами. В наиб. отчётливой форме значение существования К.-в. д. для излучения было выявлено в 1909 А. Эйнштейном, показавшим, что закон излучения Планка приводит к ф-ле для флуктуации энергии излучения, содержащей два члена, один из к-рых отвечает флуктуации энергии для совокупности классич. световых волн, а второй - флуктуации энергии газа, состоящего из независимых частиц.

Для установления всеобщего характера К.-в. д. решающее значение имело изучение законов движения электронов в атоме. В 1913 Н. Бор (N. Bohr) использовал постоянную Планка для определения стационарных состояний в атоме водорода. При этом ему удалось объяснить наблюдаемые на опыте спектральные закономерности и выразить через заряд электрона, его массу и постоянную Планка радиус атома и Ридберга постоянную, оказавшиеся в хорошем согласии с эксперим. данными. Способ нахождения стационарных состояний электронов в атомах был усовершенствован А. Зоммерфельдом (A. Sommerfeld), показавшим, что для стационарных орбит классич. действие является целым кратным 2p h. Успех теории Бора, привлёкшего для объяснения атомных явлений квантовые представления и постоянную Планка, к-рая до этого, казалось, связывала лишь корпускулярные и волновые характеристики эл.-магн. излучения, навёл на мысль о существовании К.-в. д. и для электронов. В связи с этим Л. де Бройль (L. de Broglie) в 1924 высказал гипотезу о всеобщем характере К.-в. д. Согласно гипотезе де Бройля, любой движущейся частице с энергией е и импульсом р соответствует волна с   и волновым вектором  , так же как с любой волной связаны частицы, обладающие энергией   и импульсом  . Де Бройль отметилрелятивистскую инвариантность приведённого соотношения, связывающего четырёхмерный вектор энергии-импульса частицы  с четырёхмерным волновым вектором  , и высказал предположение о том, что волновая механика частиц должна находиться в таком же соотношении с классич. механикой, как волновая оптика с геом. оптикой. Это предположение послужило исходным пунктом построения квантовой механики в форме Шрёдингера (см. Шрёдингера представление). Прямое доказательство существования волновых свойств электронов было получено впервые в 1927 К. Дэвиссоном (С. Davisson) и Л. Джермером (L. Germer), наблюдавшими интерференц. максимумы при отражении электронов от монокристаллов никеля. Позднее были обнаружены интерференц. эффекты для атомных пучков гелия, молекул водорода, нейтронов и др. частиц, т. е. получено эксперим. подтверждение универсальности К.-в. д.

В терминах наглядных представлений о классич. частицах (как материальных точках, движущихся по определ. траекториям) и классич. волнах (как распространяющихся в пространстве колебаний к.-л. физ. величин) К.-в. д. кажется логически внутренне противоречивым, т. к. для объяснения разл. явлений, происходящих с одним и тем же микрообъектом (напр., электроном), приходится использовать гипотезы как об его корпускулярной, так и волновой природе. Разрешение этого логич. противоречия, послужившее созданию физ. основ квантовой механики и квантовой теории поля, было найдено с помощью отказа от наглядных (классич.) представлений о частицах и волнах. Для объяснения волновых явлений на основе корпускулярных представлений было введено описание микрочастиц (и систем микрочастиц) с помощью векторов состояния, подчиняющихсясуперпозиции состояний принципу, и принята их статистич. (вероятностная) интерпретация, позволившая избежать формального логич. противоречия с корпускулярными представлениями (нахождение частицы одновременно в нескольких разл. состояниях). С др. стороны, рассматривая классич. (волновые) поля как механич. систему с бесконечным числом степеней свободы и требуя, чтобы эти степени свободы подчинялись определ. условиям квантования, в квантовой теории поля переходят от классич. полей к квантовым. В таком подходе частицы выступают как возбуждённые состояния системы (поля). При этом взаимодействию частиц отвечает взаимодействие их полей. Для нерелятивистского движения в системе с фиксированным числом частиц квантово-полевое описание полностью эквивалентно описанию системы частиц с помощью Шрёдингера уравнения (см. Вторичное квантование). Эта эквивалентность отражает симметрию корпускулярного и волнового описания вещества (материи), отвечающую К.-в. д. Вместе с тем в релятивистской квантовой механике, к-рая может быть сформулирована лишь на основе квантовополевого подхода, важнейшим проявлением К.-в. д. является возможность испускания и поглощения частиц в результате взаимодействия квантовых полей (что имеет фундам. значение в теории элементарных частиц). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература: 

1.      Алексеева Л.А. Небесные сполохи  и земные заботы. – М.: Мир, 1995 г.

2.      Ващекин Н.П. Концепции современного естествознания. – М.: МГУК, 2000 г.

3.      Гуреев Г.А. Земля и небо. –  М.: Сашко, 1993 г.

4.      Левитан Е.П. Учебник астрономии  для 11-х классов. – М.: Просвещение,

1994 год.

5.      Машкин Н. Ф. Квантовая физика  М., 1986 г.

6.      Мякишев Г. Я. Физика М., 1999 г.

7.      Потеев М.И. Концепции современного  естествознания, Санкт-Петербург,

Питер, 1999 г.

8.      Русин Н.П., Л.Л. Флит. Солнце на  земле. – М.: Тригон, 1994 г.

9.      Уилл Ф.Л. Семья Солнца –  Сп-Б.:Художественная литература, 1995 г.

10.  Черняк  М. А. Кванты М., 1980 г.

11.  Энциклопедия  для детей. Астрономия. – М.: Аванта+, 1997 г.

12.  Югай Г.  А. Общая теория жизни, М., Мысль, 1985 г.