Корпускулярно-хвильовий дуалізм - фізична енциклопедія

Корпускулярно-ХВИЛЬОВИЙ Дуалізм - найважливіше універсальна властивість природи, що полягає в тому, що всім мікрооб'єктами притаманні одночасно і корпускулярні і хвильові характеристики. Так, напр. електрон, нейтрон, фотон в одних умовах проявляються як частинки, що рухаються по класичні. траєкторіях і володіють потужність. енергією і імпульсом, а в інших - виявляють свою хвильову природу, характерну для явищ інтерференції і дифракції частинок. В якості первинного принципу К - в. д. лежить в основі квантової механіки і квантової теорії поля.

Вперше К - в. д. був встановлений для світла. Виконані до кін. 19 в. досліди по інтерференції, дифракції і поляризації світла, здавалося, однозначно свідчили про його хвильову природу і підтверджували теорію Максвелла, що встановила, що світло являє собою ел - магн. хвилі. Разом з тим М. Планк (М. Planck) в 1900 показав, що для пояснення закону рівноважного теплового випромінювання необхідно прийняти гіпотезу про дискретно характер випромінювання, вважаючи, що енергія випромінювання кратна деякої величиною е, названої ним квантом енергії:. де - частота хвилі, a - постійна, що має розмірність дії і названа пізніше Планка постійної. Згодом з'ясувалося, що більш зручною є величина ерг * с, тоді - кругова частота хвилі. Оскільки припущення про дискретно характер випромінювання суперечило хвильової теорії світла, згідно якої енергія світлової хвилі може приймати будь-які (безперервні) значення, пропорційні квадрату амплітуди ел - магн. коливань. Планк спочатку пов'язував дискретність енергії випромінювання з властивостями випромінювачів (атомів). Однак в 1905 А. Ейнштейн (A. Einstein), виходячи з експериментально встановленого Вина закону випромінювання (к-рий є граничним випадком Планка закону випромінювання. Справедливим при великих частотах:. Де Т - абс. Темп-pa), показав, що ентропія випромінювання в області справедливості закону Вина збігається з ентропією газу, що складається з частинок з енергією. Так виникло уявлення про частки світла - фотони, які несуть квант енергії і рухаються зі швидкістю світла. Надалі, виходячи з релятивістської кінематики, фотонам був приписаний імпульс [де n - одиничний вектор уздовж напрямку руху фотона, - хвильовий вектор]. Подання про фотонах було успішно використано для пояснення законів фотоефекту і спектрів гальмівного рентген. випромінювання; воно отримало закінчать. підтвердження після відкриття Комптона ефекту (1922). Т. о. було встановлено, що ел - магн. випромінювання поряд з хвильовими володіє корпускулярним властивостями. У наиб. виразній формі значення існування К - в. д. для випромінювання було виявлено в 1909 А. Ейнштейном, який демонстрував невідому, що закон випромінювання Планка призводить до ф-ле для флуктуації енергії випромінювання, що містить два члена, один з яких брало відповідає флуктуації енергії для сукупності класичні. світлових хвиль, а другий - флуктуації енергії газу, що складається з незалежних частинок.

Для встановлення загального характеру К - в. д. вирішальне значення мало вивчення законів руху електронів в атомі. У 1913 Н. Бор (N. Bohr) використовував постійну Планка для визначення стаціонарних станів в атомі водню. При цьому йому вдалося пояснити спостережувані на досвіді спектральні закономірності і висловити через заряд електрона, його масу і постійну Планка радіус атома і Ридберга постійну. опинилися в хорошому злагоді з фіз. даними. Спосіб знаходження стаціонарних станів електронів в атомах був удосконалений А. Зоммерфельдом (A. Sommerfeld), який демонстрував невідому, що для стаціонарних орбіт класичні. дія є цілим кратним 2 p h. Успіх теорії Бора, привернув для пояснення атомних явищ квантові уявлення і постійну Планка, к-раю до цього, здавалося, пов'язувала лише корпускулярні і хвильові характеристики ел - магн. випромінювання, навів на думку про існування К - в. д. і для електронів. У зв'язку з цим Л. де Бройль (L. de Broglie) в 1924 висловив гіпотезу про загальний характер К - в. д. Відповідно до гіпотези де Бройля, будь рухається частці з енергією е і імпульсом р відповідає хвиля з і хвильовим вектором, так само як з будь-якою хвилею пов'язані частки, що володіють енергією і імпульсом. Де Бройль зазначив релятивістську інваріантність наведеного співвідношення, що зв'язує чотиривимірний вектор енергії-імпульсу частинки з чотиривимірним хвильовим вектором, і висловив припущення про те, що хвильова механіка частинок повинна знаходитися в такому ж співвідношенні з класичні. механікою, як хвильова оптика з геом. оптикою. Це припущення послужило вихідним пунктом побудови квантової механіки в формі Шредінгера (див. Шредінгера уявлення). Прямий доказ існування хвильових властивостей електронів було отримано вперше в 1927 К. Девіссон (С. Davisson) і Л. Джермером (L. Germer), що спостерігали інтерференція. максимуми при відображенні електронів від монокристалів нікелю. Пізніше були виявлені інтерференція. ефекти для атомних пучків гелію, молекул водню, нейтронів і ін. часток, т. е. отримано експери. підтвердження універсальності К - в. д.

У термінах наочних уявлень про класичні. частинках (як матеріальних точках, що рухаються по потужність. траєкторіях) і класичні. хвилях (як розповсюджуються в просторі коливань до - л. фіз. величин) К - в. д. здається логічно внутрішньо суперечливим, т. к. для пояснення разл. явищ, що відбуваються з одним і тим же мікрооб'єктів (напр. електроном), доводиться використовувати гіпотези як про його корпускулярної, так і хвильову природу. Дозвіл цього логічний. протиріччя, яке послужило створення фіз. основ квантової механіки і квантової теорії поля. було знайдено за допомогою відмови від наочних (класичні.) уявлень про частки і хвилях. Для пояснення хвильових явищ на основі корпускулярних уявлень було введено опис мікрочастинок (і систем мікрочастинок) за допомогою векторів стану. підкоряються суперпозиції станів принципу. і прийнята їх статистич. (Імовірнісна) інтерпретація, яка дозволила уникнути формального логічний. протиріччя з корпускулярним уявленнями (знаходження частки одночасно в декількох разл. станах). З ін. Боку, розглядаючи класичні. (Хвильові) поля як механічні. систему з нескінченним числом ступенів свободи і вимагаючи, щоб ці ступені свободи підпорядковувалися потужність. умовам квантування, в квантової теорії поля переходять від класичної. полів до квантовим. У такому підході частки виступають як збуджені стани системи (поля). При цьому взаємодії частинок відповідає взаємодія їх полів. Для нерелятівістского руху в системі з фіксованим числом частинок квантово-польовий опис повністю еквівалентно опису системи частинок за допомогою Шредінгера рівняння (див. Вторинне квантування) .Ця еквівалентність відображає симетрію корпускулярного і хвильового опису речовини (матерії), що відповідає К - в. д. Разом з тим в релятивістської квантової механіки. к-раю може бути сформульована лише на основі квантовополевого підходу, найважливішим проявом К - в. д. є можливість випускання і поглинання частинок в результаті взаємодії квантових полів (що має фундам. значення в теорії елементарних частинок).

Літ. см. при ст. Квантова механіка. С. С. Герштейн.