Jeder kann Quantenphysik verstehen: Teil 1, Wellenpartikel-Dualität

Ich denke, dass die Popkultur viele von uns dazu gebracht hat zu glauben, dass Quantenphysik der Stoff der Genies ist: Wie könnte ich, eine normale Person mit einem durchschnittlichen IQ, anfangen, es zu verstehen? Ist es nicht der „große Ball aus wibbley-wackeligen-timey-wimey-Sachen“, den der zehnte Doktor in dieser Episode (meiner Lieblingsepisode, BTW) von Doctor Who notorisch beschrieben hat? Um ehrlich zu sein, glaube ich nicht, dass die Quantenphysik eine sehr gute Chance hatte. Natürlich geht mein Hut an diejenigen, die ihn gründlich studieren können - es ist kompliziert und schwierig, und Sie müssen sehr engagiert sein, um Ihre Karriere der Forschung auf diesem Gebiet zu widmen. Allerdings konnte ich nicht viele Quellen finden, die die Begriffe wirklich in eine Sprache unterteilen können, die jeder verstehen kann, auch wenn der Leser keine fortgeschrittenen Kenntnisse über wissenschaftliche oder mathematische Prinzipien hat. Ich denke nicht, dass die Grundlagen für alle außer einer Elite-Gruppe von * * Master Scientists * unerreichbar sein sollten. Ich werde also versuchen, einige der grundlegenden Konzepte in einigen Posts aufzubrechen, und ich hoffe, ich kann helfen, ein paar Leute mit einem Thema vertraut zu machen, mit dem sie sonst nicht konfrontiert wären. Heute beginne ich mit einem besonders rätselhaften Konzept namens Wellenpartikel-Dualität.

Ich möchte hier einen kleinen Haftungsausschluss machen: Ich bin Wissenschaftler, aber ich bin keinesfalls ein Experte für Quantenphysik. Wenn Sie also Quantenphysiker sind und Fehler bemerken, die ich in dieser Serie mache, können Sie das gerne kommentieren und mich informieren. Wir lernen alle zusammen! Beginnen wir also mit einigen Definitionen:

Welle: wie sich Energie bewegt. Licht geht in Lichtwellen zu uns und Schall in Schallwellen zu uns. Wellen können mechanisch sein, was bedeutet, dass sie sich durch die Materie bewegen müssen, oder elektromagnetisch, die sich durch ein Vakuum bewegen können. Wellen werden auf Basis einer Wellengleichung definiert und breiten sich entweder in Längsrichtung (wie Schallwellen) oder in Querrichtung (denken Sie an Ihre klassische Sinuswelle) vor und zurück. Wellen haben viele coole Eigenschaften wie Brechung, Interferenz und Polarisation.

Partikel: eine kleine Einheit der Materie. Partikel können durch ihr Volumen und ihre Masse definiert werden und können bei einigen Makropartikeln unter dem Mikroskop oder mit dem menschlichen Auge identifiziert werden.

Grundsätzlich existieren Partikel an einem bestimmten Punkt im Universum, während sich Wellen ausbreiten und nicht spezifisch fixiert werden können. Als Wissenschaftler beide näher untersuchten, stellten sie fest, dass diese Definitionen nicht immer zutreffend sind. Das ist die Lektion Nummer 1 in der Physik: Alles, von dem Sie glauben, dass Sie es wissen, ist eine riesige Lüge, und universelle Wahrheiten verschwimmen immer mehr, wenn Sie näher und näher schauen.

Thomas Young war ein britischer Wissenschaftler, der in den frühen 1800er Jahren das sogenannte Doppelspaltexperiment durchführte. Er hat so ziemlich alles studiert, was man studieren kann, ist aber vor allem für seine Untersuchungen zur Natur des Lichts bekannt. Im Grunde strahlte er einen Lichtstrahl auf eine Platte mit einem einzigen Spalt und vermutete, dass wenn aus Partikeln Licht gemacht würde, wie Newton es zuvor vorgeschlagen hatte, das einzige Licht, das durch die Platte dringen würde, dasjenige sein würde, das durch die Platte dringt Schlitz, in der Größe und Form des Schlitzes. Das Licht erschien jedoch in einem anderen Muster, das als Beugungsmuster bekannt ist, das aufgrund der Interferenz der Lichtwellen auftrat. Wenn zwei Lichtwellen auftreffen, überlagerten sie sich und bildeten eine neue Welle, bei der die Amplitude der Summe der ursprünglichen Amplituden der beiden Wellen entsprach. Er wiederholte das Experiment mit zwei Schlitzen in der Platte, die ein viel deutlicheres Beugungsmuster zeigten. Die Schlussfolgerung war, dass dieses Muster nicht möglich gewesen wäre, wenn Licht aus Partikeln besteht, da Partikel keine Interferenz und Beugung zeigen. Licht musste also eine Welle sein.

Wenn Licht durch die Schlitze fällt, zeigt es Interferenz.

Inzwischen gab es ein weiteres Problem, das die Wissenschaftler verblüffte: Schwarzkörperstrahlung. Kurz gesagt, ein schwarzer Körper absorbiert alle Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung, mit denen er in Kontakt kommt. Das Konzept eines schwarzen Körpers ist theoretisch, aber das naheliegendste Beispiel, das wir in der Natur haben, ist ein schwarzes Loch. Wenn kein Wärmeenergieaustausch zwischen dem schwarzen Körper und seiner Umgebung stattfindet, befindet er sich in einem Zustand, der als thermisches Gleichgewicht bezeichnet wird, und beginnt Strahlung zu emittieren. Schwarzkörperstrahlung ist also nur elektromagnetische Strahlung, die von einem Schwarzkörper kommt. Das ist wirklich cool, wenn es um schwarze Löcher geht. Wenn Sie interessiert sind, schauen Sie sich Steven Hawkings Forschung über Hawking-Strahlung an!

Ein Wissenschaftler namens Max Planck wurde beauftragt, herauszufinden, was mit der Strahlung des schwarzen Körpers geschah, und eine Gleichung zu entwickeln, um sie zu beschreiben (es gibt eine mathematische Gleichung, um alle Gesetze der Physik zu beschreiben, auch wenn wir uns nicht ganz damit auskennen) noch aus der Gleichung). Er stellte schließlich die Gleichung auf, aber es gab ein großes Problem. Die Gleichung könnte nur funktionieren, wenn die Energie des schwarzen Körpers nur in bestimmten Mengen abgegeben wurde. Grundsätzlich beruhte die Gleichung auf der Annahme, dass die Energie kein konstanter Energiestrom war, sondern in diskreten Mengen, den so genannten Quanten, emittiert wurde. Es war unmöglich, Energie in einer kleineren Menge als dieses Quantum zu emittieren, und alles, was höher als ein Quantum war, musste ein Vielfaches dieses Quantens sein. Mathematisch wird diese Annahme als E = nhv beschrieben, die jetzt als Planck-Postulat bekannt ist und eine der fundamentalen Annahmen der Quantenphysik ist.

Zur gleichen Zeit hat Albert Einstein die Theorie, dass Licht nur eine Welle sei, nicht ganz gekauft. Um die Arbeit von Planck zu erweitern und Lichtquanten besser zu verstehen, übernahm Einstein das Projekt, einen so genannten photoelektrischen Effekt zu verstehen. Der photoelektrische Effekt beschreibt, wie Elektronen von Materialien emittiert werden, wenn sie mit Licht getroffen werden. Wenn Licht in einer konstanten Welle emittiert wird, sollte die Energie der Elektronen proportional zur Lichtintensität sein. Experimentell geschah dies jedoch nicht. Die Elektronen wurden auch dann noch emittiert, wenn der Lichtstrahl eine sehr geringe Intensität hatte. Um dies zu berücksichtigen, versuchte Einstein die gleiche Annahme, die Planck verwendet hatte (E = hv). Dies funktioniert, weil Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung ist. Unter Verwendung dieser Annahme stellte er fest, dass die Elektronen nicht auf der Intensität des Lichts, sondern auf der Frequenz der Quanten, die als "Photonen" bezeichnet wurden, emittiert wurden. Im Grunde war Licht eine Welle, aber die Energie wurde nicht gleichmäßig verteilt. Vielmehr bestand die Energie in dichten, aber masselosen Haufen mit Schwung. Das Licht zeigte Eigenschaften von Wellen und Partikeln.

Um zusammenzufassen, was wir bisher haben: Thomas Young hat gezeigt, dass Licht eine Welle ist. Planck und Einstein zeigten, dass die Energie einer Lichtwelle in Partikeln vorhanden ist. Daher wurde festgestellt, dass Licht Eigenschaften von Wellen und Partikeln aufweist.

Dies führte Louis de Broglie, ein weiterer Nobelpreisträger, zu seiner großen Hypothese. Er dachte, wenn Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen existiert, dann könnte alles als Welle und als Teilchen existieren. Im Wesentlichen schlug er vor, dass alle Materie eine "Welle-Teilchen-Dualität" aufweist. Er entwickelte eine Gleichung, um die Wellenlänge eines Teilchens zu ermitteln, wobei λ = h / p. Das scheint schwer zu beweisen. Ich meine, wenn ich auf meine Hand schaue, scheint es sicher, als sollte sie keine Wellenlänge haben, sonst hätte ich es inzwischen bemerkt. Aber Quantenphysik beschreibt die Physik von Dingen, die so klein sind, dass Sie sie nicht bemerken können - das ist der springende Punkt. Tatsächlich haben einige Wissenschaftler entdeckt, dass man die Welleneigenschaft von Materie durch eine Technik namens Elektronenbeugung sehen kann! Ein Wissenschaftler namens George Thomson sowie ein Wissenschaftlerpaar namens Lester Germer und Clinton Davisson schossen mit Elektronenstrahlen auf bestimmte Materialien und stellten fest, dass die Elektronen in einem Muster beugten, das der von Thomas Young beobachteten Lichtbeugung nicht unähnlich war. So wurde festgestellt, dass Materie im kleinsten Maßstab Wellenpartikel-Dualität aufweist. Meine Hand selbst ist definitiv ein diskretes Objekt, aber die Elektronen darin sind Teilchen mit Wellenlängen.

So haben Sie es. Durch eine Reihe von Experimenten und vorgeschlagenen Gleichungen kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass Materie eine Welle-Teilchen-Dualität aufweist, was bedeutet, dass sie sich sowohl als Welle als auch als Teilchen verhält. Mit diesem Verständnis haben die ersten Forschungen zur Quantenmechanik begonnen, und es wird die Bühne für die Definition einer völlig neuen Gruppe physikalischer Gesetze gelegt. Ziemlich cool, oder?