La dualidad onda-partícula
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 La dualidad onda-partícula |
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En la física y la química , la dualidad onda-partícula es el concepto de que todos los de materia y energía exposiciones ambos ola -como y propiedades similares a las partículas. Un concepto central de la mecánica cuántica , la dualidad se refiere a la insuficiencia de los conceptos clásicos como "partícula" y "ola" al describir completamente el comportamiento de los objetos. Vario interpretaciones de la mecánica cuántica intentan explicar esta aparente paradoja.
La idea de la dualidad está enraizada en un debate sobre la naturaleza de la luz y de la Materia que se remonta a la década de 1600, cuando las teorías que compiten de luz fueron propuestas por Christiaan Huygens y Isaac Newton . A través del trabajo de Albert Einstein , Louis de Broglie, y muchos otros, la teoría científica actual sostiene que todas las partículas también tienen una naturaleza ondulatoria. Este fenómeno ha sido verificado, no sólo para las partículas elementales, sino también para partículas de compuesto como átomos e incluso moléculas. De hecho, de acuerdo con las formulaciones tradicionales de no relativistas mecánica cuántica, la dualidad onda-partícula se aplica a todos los objetos, incluso los macroscópicas; no podemos detectar propiedades ondulatorias de los objetos macroscópicos, debido a sus pequeñas longitudes de onda.
Richard Feynman hizo hincapié en la naturaleza corpuscular de la luz, afirmando que es "muy importante saber que la luz se comporta como partículas, especialmente para aquellos de ustedes que han ido a la escuela, donde fue probablemente dijiste algo acerca de la luz se comporta como ondas."
Breve historia
Al final del siglo 19, en el caso de teoría atómica, que la materia estaba hecha de objetos de partículas o átomos , estaba bien establecida. Electricidad, primero piensa que es un fluido, se entiende ahora que consisten en partículas llamadas electrones , como se demuestra por JJ Thomson que, llevado por su investigación sobre la obra de Ernest Rutherford , había descubierto usando los rayos catódicos que una carga eléctrica en realidad viajar a través del vacío del cátodo al ánodo. En breve, se entendió que gran parte de la naturaleza estaba hecha de partículas. Al mismo tiempo, las ondas se conocen bien, junto con los fenómenos de ondas tales como la difracción y interferencia. Luz se cree que es una onda, como Thomas Young efectos del experimento de la doble rendija y como Difracción de Fraunhofer había demostrado claramente la naturaleza ondulatoria de la luz.
Pero a medida que el siglo 20 se volvió, habían surgido problemas. Albert Einstein análisis de la 's efecto fotoeléctrico en 1905 demostró que la luz propiedades similares a las partículas también poseen, y esto fue confirmado con el descubrimiento de la Dispersión de Compton en 1923. Más tarde, el la difracción de electrones sería predicho y confirmado experimentalmente, mostrando así que los electrones deben tener propiedades de onda, además de propiedades de las partículas.
Esta confusión sobre la partícula contra propiedades ondulatorias se resolvió finalmente con la llegada y establecimiento de la mecánica cuántica en la primera mitad del siglo 20, que en definitiva explica la dualidad onda-partícula. Proporcionó un único marco teórico unificado para la comprensión de que toda la materia puede tener características asociadas a partículas y ondas, como se explica a continuación. Por el final del siglo 20 se obtuvieron resultados muy precisos cuantificar esta dualidad, en la forma de la Englert-Greenberger relación dualidad.
Los hitos del desarrollo
Huygens y Newton
La teoría integral temprano de la luz se adelantó por Christiaan Huygens, quien propuso una la teoría ondulatoria de la luz, y, en particular demostraron cómo las ondas pueden interferir para formar un frente de onda, que se propaga en una línea recta. Sin embargo, la teoría tenía dificultades en otras cosas, y pronto se vio ensombrecida por Isaac Newton 's la teoría corpuscular de la luz. Es decir, Newton propuso que la luz consistía en partículas pequeñas, con la que podría explicar fácilmente el fenómeno de la la reflexión. Con mucha más dificultad, él también podría explicar refracción a través de una lente, y la división de la luz solar en un arco iris por una prisma. Punto de vista de las partículas de Newton fue esencialmente sin respuesta durante más de un siglo.
Young, Fresnel, y Maxwell
A principios de 1800, el experimentos de la doble rendija por Joven y Fresnel proporcionado evidencia de Teorías de onda de Huygens: estos experimentos mostraron que cuando la luz se envía a través de una rejilla, una característica se observa patrón de interferencia, muy similar al patrón resultante de la interferencia de las ondas de agua; la longitud de onda de la luz puede calcularse a partir de dichos patrones. La vista de onda no desplazó inmediatamente a la vista de rayos y partículas, pero comenzó a dominar el pensamiento científico sobre la luz a mediados de 1800, ya que podría explicar los fenómenos de polarización que las alternativas no podía.
Maxwell , durante la década de 1800, explicó la luz como la propagación de las ondas electromagnéticas de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell . Estas ecuaciones fueron verificadas por el experimento, y la vista de Huygens adquiere una gran aceptación.
La fórmula de Planck para la radiación del cuerpo negro
En 1901, Max Planck publicó un análisis que tuvo éxito en la reproducción de la observada espectro de la luz emitida por un objeto brillante. Para lograr esto, Planck tuvo que hacer una suposición matemática ad hoc de la energía cuantificada de los osciladores (átomos del cuerpo negro) que emiten radiación. Fue Einstein quien propuso más tarde que es la propia radiación electromagnética que está cuantizada, y no la energía de los átomos radiantes.
Explicación del efecto fotoeléctrico de Einstein
En 1905, Albert Einstein dio una explicación de la efecto fotoeléctrico, un experimento hasta ahora preocupante que la teoría ondulatoria de la luz parecía incapaz de explicar. Lo hizo al postular la existencia de fotones , quanta de energía de la luz con cualidades de partículas.
En el efecto fotoeléctrico, se observó que sacar a la luz ciertos metales llevaría a un corriente eléctrica en una circuito. Presumiblemente, la luz estaba llamando electrones fuera del metal, provocando que la corriente fluya. Sin embargo, también se observó que mientras que una luz azul tenue fue suficiente para causar una corriente, incluso el, más brillante luz roja más fuerte causó ninguna corriente en absoluto. De acuerdo con la teoría de la onda, la fuerza o amplitud de una onda de luz era en proporción a su brillo: una luz brillante que debería haber sido fácilmente lo suficientemente fuerte como para crear una gran corriente. Sin embargo, curiosamente, esto no fue así.
Einstein explicó este enigma por postulando que los electrones pueden recibir energía de campo electromagnético sólo en porciones discretas (quanta que fueron llamados fotones ): una cantidad de energía E que estaba relacionado con la frecuencia, f de la luz por
donde h es La constante de Planck (6.626 × 10 -34 J segundos). Solamente los fotones de una frecuencia lo suficientemente alta, (por encima de un cierto valor de umbral) podrían golpear un electrón libre. Por ejemplo, los fotones de luz azul tenían suficiente energía para liberar un electrón del metal, pero los fotones de luz roja no lo hicieron. Más intensa luz por encima de la frecuencia umbral podría liberar más electrones, pero ninguna cantidad de luz por debajo de la frecuencia umbral podría liberar un electrón.
Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1921 por su teoría del efecto fotoeléctrico.
Hipótesis de De Broglie
En 1924, Louis-Victor de Broglie formuló la De Broglie hipótesis, alegando que toda la materia, no sólo la luz, tiene una naturaleza de onda; relató longitud de onda (denotado como λ), y el impulso (denotado como p):
Esta es una generalización de la ecuación de Einstein anterior, ya que el momento de un fotón está dada por p = 
y la longitud de onda de λ = 
, Donde c es la velocidad de la luz en el vacío.
La fórmula de De Broglie se confirmó tres años más tarde para los electrones (que difieren de los fotones en tener una masa en reposo) con la observación de difracción de electrones en dos experimentos independientes. En el Universidad de Aberdeen, George Paget Thomson pasó un haz de electrones a través de una película metálica delgada y observa los patrones de interferencia previstos. En Bell Labs Clinton Joseph Davisson y Lester Halbert Germer guiado su haz a través de una rejilla cristalina.
De Broglie fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1929 por su hipótesis. Thomson y Davisson compartieron el Premio Nobel de Física en 1937 por su trabajo experimental.
Principio de incertidumbre de Heisenberg
En su trabajo sobre la formulación de la mecánica cuántica, Werner Heisenberg postuló su principio de incertidumbre, que establece:
donde
aquí indica la desviación estándar , una medida de dispersión o incertidumbre; - x y p son la posición de una partícula y el momento lineal , respectivamente.
-
es el redujo constante (constante de Planck de Planck dividida por 2 
).
Heisenberg originalmente explicó esto como consecuencia del proceso de medición: posición medición exactamente perturbaría impulso y viceversa, ofreciendo un ejemplo (el "microscopio de rayos gamma") que dependía fundamentalmente de la hipótesis de De Broglie. Ahora se entiende, sin embargo, que esto explica sólo en parte el fenómeno: la incertidumbre también existe en la propia partícula, incluso antes de que se realiza la medición.
De hecho, la explicación moderna del principio de incertidumbre, ampliando la Interpretación de Copenhague por primera vez por Bohr y Heisenberg, depende aún más céntrica en la naturaleza de onda de una partícula: Del mismo modo que no tiene sentido discutir la ubicación precisa de una onda en una cuerda, las partículas no tienen posiciones perfectamente precisas; del mismo modo, al igual que es absurdo hablar de la longitud de onda de una onda de "pulso" viajando por una cadena, las partículas no tienen momentos perfectamente preciso (que corresponde a la inversa de la longitud de onda). Por otra parte, cuando la posición está relativamente bien definido, la onda es de impulso y tiene una longitud de onda muy mal definida (y por tanto el impulso). Y a la inversa, cuando el impulso (y por lo tanto la longitud de onda) está relativamente bien definidos, la ola se ve largo y sinusoidal, y por lo tanto tiene una posición muy definida.
El propio De Broglie propuso un onda piloto constructo para explicar la dualidad onda-partícula observada. En esta vista, cada partícula tiene una posición y el momento bien definido, pero está guiado por una función de onda derivada de La ecuación de Schrödinger. La teoría de la onda piloto fue rechazada inicialmente porque generó efectos no locales cuando se aplican a los sistemas que involucran más de una partícula. No-localidad, sin embargo, pronto se estableció como una característica integral de la teoría cuántica (véase Paradoja EPR), y David Bohm extendió el modelo de De Broglie para incluir explícitamente. En la mecánica de Bohm, la dualidad onda-partícula no es una propiedad de la materia en sí, sino una apariencia generada por el movimiento de la partícula sujeta a una ecuación guía o potencial cuántico.
Comportamiento de las ondas de objetos grandes
Desde las manifestaciones de propiedades ondulatorias de fotones y electrones , experimentos similares se han realizado con los neutrones y protones . Entre los experimentos más famosos son los de Estermann y Otto Stern en 1929. Los autores de recientes experimentos similares con los átomos y las moléculas, que se describen a continuación, afirman que estas partículas más grandes también actúan como ondas.
Una serie dramática de experimentos enfatizando la acción de la gravedad en relación con la dualidad onda-partícula se llevaron a cabo en la década de 1970 utilizando el interferómetro de neutrones. Los neutrones, uno de los componentes del núcleo atómico , proporcionan gran parte de la masa de un núcleo y por tanto de la materia ordinaria. En el interferómetro de neutrones, actúan como ondas de la mecánica cuántica directamente sujetos a la fuerza de gravedad. Aunque los resultados no fueron sorprendentes ya que la gravedad se sabe que actúa en todo, incluyendo la luz (ver pruebas de la relatividad general y la Pound-Rebka caer experimento fotón), la auto-interferencia de la onda mecánica cuántica de un fermión masiva en un campo gravitatorio nunca había sido confirmado experimentalmente antes.
En 1999, la difracción de la C 60 fullerenos por investigadores de la Se informó de la Universidad de Viena. Los fulerenos son comparativamente objetos grandes y masivos, que tiene una masa atómica de aproximadamente 720 u. La longitud de onda de De Broglie es 2.5 pm, mientras que el diámetro de la molécula es de aproximadamente 1 nm, aproximadamente 400 veces más grande. A partir de 2005, este es el objeto más grande para el cual las propiedades ondulatorias de la mecánica cuántica se han observado directamente en la difracción de campo lejano.
En 2003, el grupo de Viena también demostró la naturaleza ondulatoria de tetrafenilporfirina - un biodye plana con una extensión de alrededor de 2 nm y una masa de 614 u. Para esta demostración se emplearon un campo cercano Interferómetro Talbot Lau. En el mismo interferómetro también encontraron franjas de interferencia para C 60 F 48., un fluorado buckyball con una masa de alrededor de 1.600 u, compuestas por 108 átomos de las moléculas grandes ya son tan complejos que dan acceso experimental a algunos aspectos de la interfaz cuántica clásica, es decir, a cierta mecanismos de decoherencia.
Si los objetos más pesados que el Masa de Planck (sobre el peso de una gran bacteria) tiene una longitud de onda de De Broglie es teóricamente claro y experimentalmente inalcanzable; por encima de la masa de una partícula de Planck Compton longitud de onda sería más pequeño que el Longitud de Planck y su propia Radio de Schwarzschild, una escala en la que las teorías actuales de la física pueden romperse o la necesidad de ser reemplazado por otros más generales.
El tratamiento en la mecánica cuántica moderna
La dualidad onda-partícula está profundamente arraigada en los fundamentos de la mecánica cuántica , tan bien que los médicos modernos rara vez discutir como tal. En el formalismo de la teoría, toda la información sobre una partícula se codifica en su función de onda, una función compleja aproximadamente análoga a la amplitud de una onda en cada punto en el espacio. Esta función se desarrolla de acuerdo con una ecuación diferencial (genéricamente llamado Ecuación de Schrödinger), y esta ecuación da lugar a la onda similares a fenómenos tales como la interferencia y la difracción.
El comportamiento corpuscular es más evidente debido a los fenómenos asociados con medición de la mecánica cuántica. Al medir la ubicación de la partícula, la función de onda aleatoriamente " colapso "a una función de pico de forma pronunciada en alguna ubicación, con la probabilidad de cualquier lugar en particular igual a la amplitud al cuadrado de la función de onda allí. La medición devolverá una posición bien definida, una propiedad asociada tradicionalmente con partículas.
Aunque esta imagen se simplifica un poco (al no relativista caso), es suficiente para captar la esencia del pensamiento actual sobre los fenómenos históricamente llamados "dualidad onda-partícula". (Ver también: Postulados de la mecánica cuántica.)
Puntos de vista alternativos
Vista de partículas sólo
La modelo de onda piloto, desarrollado originalmente por Louis de Broglie y desarrollado por David Bohm propone que no hay dualidad, sino más bien las partículas son guiados por una onda piloto que les dirigirá a las zonas de interferencia constructiva. Esta idea es apoyada como una rama de determinismo y está en manos de una minoría significativa dentro de la comunidad de la física.
Al menos un físico considera la "ola-dualidad" un término equivocado, ya que L. Ballentine, Mecánica Cuántica, un desarrollo moderno, p.4, explica:
Cuando descubrió por primera vez, la difracción de partículas era una fuente de gran perplejidad. Son "partículas" "olas" ¿En serio? En los primeros experimentos, los patrones de difracción se detectaron de manera integral por medio de una placa fotográfica, que no podría detectar partículas individuales. Como resultado, la noción de que creció propiedades de las partículas y la onda eran incompatibles entre sí, o complementaria, en el sentido de que se requieren diferentes aparatos de medición para observarlas. Esta idea, sin embargo, era sólo un desafortunado generalización a partir de una limitación tecnológica. Hoy en día es posible detectar la llegada de los electrones individuales, y para ver el patrón de difracción emerge como un patrón estadístico compuesto de muchos pequeños puntos (Tonomura et al., 1989). Evidentemente, las partículas cuánticas son realmente partículas, pero cuyo comportamiento es muy diferente de la física clásica nos harían esperar.
Prominente físico Richard Feynman escribió:
Quiero hacer hincapié en que la luz entra en esta forma-partículas. Es muy importante saber que la luz se comporta como partículas, especialmente para aquellos de ustedes que han ido a la escuela, donde fue probablemente dijiste algo acerca de luz se comporta como ondas. Te estoy diciendo la manera que lo hace comportarse partículas parecidas.
Ola de sólo lectura
Al menos un científico propone que la dualidad puede ser reemplazado por un "sólo ola" punto de vista. Electrodinámica Colectivos de Carver Mead: Fundamentos de Electromagnetismo Quantum (2000) analiza el comportamiento de los electrones y fotones puramente en términos de funciones de onda de electrones, y atributos del comportamiento corpuscular evidente para cuantificación efectos y estados propios. Según revisor David Haddon:
Mead ha cortado el nudo gordiano de la complementariedad cuántica. Afirma que los átomos, con sus neutrones, protones y electrones, no son partículas en todos pero las ondas puras de la materia. Mead cita como evidencia bruto de la onda exclusiva naturaleza de la luz y la materia el descubrimiento entre 1933 y 1996 de los diez ejemplos de fenómenos de ondas puras, incluyendo el láser ubicua de reproductores de CD, las corrientes eléctricas a la libre propagación de los superconductores y el Bose condensado -Einstein de átomos.
Aplicaciones
Aunque es difícil trazar una línea que separa la dualidad onda-partícula del resto de la mecánica cuántica, no obstante, es posible enumerar algunas aplicaciones de esta idea básica.
- La dualidad onda-partícula se explota en microscopía electrónica, donde las pequeñas longitudes de onda asociadas con el electrón se pueden utilizar para ver objetos mucho más pequeños que lo que es visible utilizando la luz visible.
- Del mismo modo, difracción de neutrones utiliza neutrones con una longitud de onda de aproximadamente una Ångström, la separación típica de los átomos en un sólido, para determinar la estructura de los sólidos.
