Dualizm korpuskularno-falowy

Dualizm korpuskularno-falowy – cecha obiektów kwantowych (np. fotonów i elektronów) polegająca na przejawianiu, w zależności od sytuacji, właściwości falowych (dyfrakcja, interferencja) lub korpuskularnych (dobrze określona lokalizacja, pęd).

Zgodnie z mechaniką kwantową cała materia charakteryzuje się takim dualizmem, chociaż uwidacznia się on bezpośrednio tylko w bardzo subtelnych eksperymentach wykonywanych na atomach, fotonach, czy innych obiektach kwantowych.

Dualizm korpuskularno-falowy jest ściśle związany z falami de Broglie’a – koncepcją, która przyczyniła się do powstania mechaniki kwantowej, a w szczególności do wyprowadzenia równania Schrödingera.

Równanie:

$\lambda =\frac{h}{p},$

gdzie $h$ jest stałą Plancka, łączy wielkości falowe (długość fali $\lambda$) z korpuskularnymi (pęd $p$).

Dualizm korpuskularno-falowy w sformalizowanym języku mechaniki kwantowej można opisać posługując się równaniem Schrödingera:

$H\psi (\overrightarrow{x},t)=i\hslash \frac{\partial }{\partial t}\psi (\overrightarrow{x},t),$

gdzie:

$i$ – jednostka urojona,

$\hslash$ – stała Plancka podzielona przez 2π,

$H$ – operator różniczkowy – hamiltonian opisujący całkowitą energię analizowanej cząstki,

$\psi (\overrightarrow{x},t)={\psi }_R(\overrightarrow{x},t)+i{\psi }_I(\overrightarrow{x},t)$ – funkcja falowa analizowanej cząstki (funkcje falowe są funkcjami zespolonymi), opisuje możliwe stany czyste danej cząstki kwantowej.

Otrzymana w wyniku rozwiązania tego równania funkcja falowa (stąd „falowość”), a dokładniej kwadrat modułu funkcji falowej $|\psi {|}^2=({\psi }_R(\overrightarrow{x},t){)}^2+({\psi }_I(\overrightarrow{x},t){)}^2$ opisuje prawdopodobieństwo wystąpienia danej cząstki w określonym miejscu $(\overrightarrow{x},t)$ przestrzeni w objętości $d^{3}x.$ Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w całej przestrzeni jest równe 1 (jesteśmy pewni, że gdzieś jest). Stąd

$\int d^{3}x|\psi {|}^2=1.$

Dokonując pomiaru położenia cząstki zawsze znajdujemy ją w przybliżeniu w konkretnym miejscu w przestrzeni (rejestruje ją konkretny detektor). W przypadku eksperymentów z podwójną szczeliną uzyskuje się interferencję bądź nie w zależności od tego czy obiekt przejawia właściwości falowe czy cząsteczkowe. Właściwości cząsteczkowe są obserwowane, gdy w szczelinach będzie umieszczony detektor, wykrywający przez którą szczelinę się poruszał obiekt. Przyczyną tego jest istnienie splątania kwantowego i dostępność informacji o obserwablach. Po detekcji cząstki nieoznaczoność jej pędu stopniowo wzrasta, przez co maleje widoczność prążków interferencyjnych.

Największe układy, dla których zaobserwowano dualizm korpuskularno-falowy miały 2000 atomów.

Zobacz też

• zjawisko Comptona – najbardziej znany dowód na dualną naturę światła