Princip dualnosti talas-čestica
Princip dualnosti je koncept koji podrazumeva da se elementarna čestica ili kvantni entiteti mogu delom opisati kao čestice dok se delom mogu opisati kao talasi. Što uostalom predstavlja i nemogućnost klasičnog koncepta „čestice” i „talasa”, da opiše ponašanje objekata u kvantnim razmerama. Kako je Albert Ajnštajn pisao:[1]
„Čini se da nekada moramo koristiti jednu teoriju a nekada drugu,dok s vremena na vreme možemo koristiti bilo koju. Ovde se suočavamo sa novom vrstom poteškoće. Imamo dve kontradiktorne slike realnosti, odvojeno nijedna od njih u potpunosti ne objašnjava fenomen svetlosti, ali udružene to mogu učiniti.”
Današnja nauka pozivajući se na radove Maksa Planka, Ajnštajna,Luj de Broja, Artura Komptona, Nils Bora i mnogih drugih, govori da sve čestice imaju takođe i talasnu prirodu.[2] Ovaj fenomen je potvrđen ne samo za elementarne čestice, već i za složenije čestice kao što su atomi i molekuli. Kod makroskopskih čestica talasna karakteristika se obično ne može ni detektovati, što je posledica njihove ekstremno kratke talasne dužine.[3]
Iako ovaj princip je zapravo bio radni aktivni princip u fizici, samo značenje i interpretacija nisu razrešeni u potpunosti.
Nils Bor se odnosio prema „dualnom paradoksu” kao prema fundamentalnoj ili metafizičkoj činjenici prirode.[4] Dati oblik kvantnog objekta će se nekad pojaviti kao talas, nekad kao čestica, karakter, respektivno u zavisnoti od fizičkih okolnosti. Ovakvu dualnost on je viđao kao aspekt dobro poznatog koncepta komplementarnosti.[5]
Verner Hajzenberg je ovo razmatrao malo dalje. Viđao je dualnost kao trenutno stanje svih kvantnih entiteta, ali ne u uobičajenom kvantnom mehaničkom smislu kao što je to viđao Bor. Razmatrao je ovaj princip kao sekundarnu kvantizaciju, odakle se generiše jedan novi koncept polja koje postoji u običnom odnosu prostora i vremena. Vrednosti klasičnih polja (kao što su snage električnog i magnetnog polja uspostavljene od strane Maksvela) se zamenjuju potpuno novom vrstom vrednosti polja, što je razmatrano u kvantnoj teoriji polja. Posmatrajući obrazloženje može se zaključiti da obična kvantna mehanika može biti izvedena kao specijalna posledica kvantne teorije polja.[6][7]
Kratka istorija uredi
Demokrit, drevni atomist-govorio je da sve stvari u univerzumu, uključujući svetlost, su sastavljene od nedeljivih sub-komponenti (gde je svetlost određena forma solarnog atoma).[8] Početkom jedanaestog veka, Arapski naučnik Alhazen je prvi napisao obimnu studiju na temu optike.Početkom 1670. godine nakon tri decenija napredovanja, Isak Njutn je razvio i borio se za njegovu korpuskularnu hipotezu,govoreći da savršeno prava linija reflektovane svetlosti demonstrira čestičnu prirodu svetlosti. Tvrdio je da jedino čestice mogu da putuju po tako pravoj liniji.U isto vreme, Njutnovi savremenici, Robert Huk i Kristijan Hajgens a kasnije i Avgustin-Žan Fresnel,matematički su izrazili činjenicu da ukoliko svetlost putuje različitom brzinom u različitim sredinama (na primer voda i vazduh), refrakcija (prelamanje) se može lako objasniti kao kretanje svetlosnih talasa, gde je isto zavisno od sredine.Rezultujući Hajgens-Fersnelov princip je bio izuzetno uspešan u reprodukovanju ponašanja svetlosti gde je zatim bio podržan radom Tomasa Janga iz 1803. godine, koji govori o eksperimentu sa dvostrukim prorezom.[9][10][11]
Džejms Klerk Maksvel je otkrio da može kombinovati četiri jednostavne jednačine,koji su već bile prethodno otkrivene i definisane.Kada je izračunao brzinu širenja ovih elektromagnetnih talasa, brzina svetlosti je opala.Ubrzo je bilo jasno da su vidljiva svetlost, ultraljubičasta svetlost i infracrvena svelost (fenomen za koji se ranije mislilo da nije povezan sa ovom temom) zapravo elektromagnetni talasi sa različitim frekvencijama.Teorija talasa je nadvladala-ili se to samo tako činilo.
Pošto je 19. vek svedočio o uspehu teorije talasa u opisivanju svetlosti, takođe je postao svedok rađanja atomske teorije koja je služila u opisivanju materije. Antoan Lavoazje je izveo zakon konzervativnosti mase, takođe je izvršio i kategorizaciju novih hemijskih elemenata i jedinjenja.Džozef Luj Prust unapredio je hemiju ka atomu, tako što je pokazao da su elementi kombinovani po zakonu stalnih odnosa masa.Ovo je navelo Džona Daltona da predloži teoriju po kojoj su elementi nevidljive sub komponente.Amedeo Avogadro je otkrio diatomičke gasove i kompletirao osnovnu atomsku teoriju,zalažući se da tačne molekularne formule za većinu poznatih jedinjenja, kao i da tačna težina atoma, budu izvedeni i kategorizovani na dosledan način. Dimitrij Mendeljejev je video red u ponavljanju hemijskih svojstava, i kreirao je tabelu koja sve elemente predstavlja u visokom stepenu simetrije i u jedinstvenom redu.
Preokret 20. veka i promena paradigme uredi
Krajem 19. veka,redukcionizam atomske teorije vrši unapređivanje shvatanja atoma uopšte.Kroz fiziku se vrši determinisanje same prirode atoma i operacija nad hemijskim reakcijama.Elektricitet, za koji se prvenstveno mislilo da je fluid,sada sadrži čestice koje se nazivaju elektroni.Prva demonstracija je bila sprovedena od strane Džozefa Džon Tomsona iz 1897. godine, koristeći katodne cevi,odakle je otkrio da će se naelektrisanje kretati kroz vakuum (što u klasičnoj teoriji znači da se javlja beskonačna otpornost).Kako vakuum nije omogućavao kretanje električnog fluida, jedino objašnjenje je bilo da čestica sadrži negativno naelektrisanje i pomera se kroz vakuum.(Ovo kasnije potpomaže pronalaske baterije,električnih motora, dinama itd.).Kasnije,koristeći radove Majkla Faradeja i Džejmsa Klerka Maksvela se otkriva veoma bliska veza između naelektrisanja i elektromagnetizma.
Kvantizacija zračenja uredi
Na samom početku 20. veka, naime 1901. godine, Maks Plank objavljuje analizu u kojoj govori o svom uspehu reprodukovanja posmatranog spektra emitovane svetlosti sa svetlećeg objekta.Da bi ovo kompletirao, Maks Plank je morao na prečac napraviti matematički pretpostavku kvantizovane energije oscilatora (atomi crnog tela)koji emituju zračenje.Ajnštajn je kasnije izjavio da je zapravo elektromagnetno zračenje kvantizovano, a ne energija atoma.
Kod zračenja crnog tela, elektromagnetna energija je zapravo posledica zagrevanja objekta, i ne može biti objašnjena samo klasičnim argumentima.Po zakonu održanja kinetičke energije iz klasične mehanike,koja je zapravo baza svih ostalih klasičnih termodinamičkih teorija,govori da energija objekta ravnomerno raspoređena između različitih režima oscilovanja objekta.Međutim primena istovetnog rezonovanja elektromagnetne emisije takvih termalnih objekata nije bilo uspešno.Bilo je već odavno poznato da termalni objekat emituje svetlost. Kako je svetlost bila poznata kao elektromagnetni talas, fizičari su se nadali da će ovu emisiju opisati pomoću klasičnih zakona.Ovo je poznato još i kao problem crnog tela.Kako je teorema o raspodeli kinetičke energije odradila odličan posao u opisivanju režima vibracije termalnih objekata,pretpostavljeno je da će odraditi isti takav posao kada je u pitanju emisija radioaktivnog zračenja takvog objekta.
Reference uredi
- ^ Albert Einstein, Leopold Infeld (1938). The Evolution of Physics: The Growth of Ideas from Early Concepts to Relativity and Quanta. Cambridge University Press. Bibcode:1938epgi.book.....E. Quoted in Harrison, David (2002). „Complementarity and the Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics”. UPSCALE. Dept. of Physics, U. of Toronto. Arhivirano iz originala 03. 03. 2016. g. Pristupljeno 21. 6. 2008.
- ^ Walter Greiner (2001). Quantum Mechanics: An Introduction. Springer. ISBN 978-3-540-67458-0.
- ^ R. Eisberg & R. Resnick (1985). Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (2nd izd.). John Wiley & Sons. str. 59–60. ISBN 978-0-471-87373-0. „For both large and small wavelengths, both matter and radiation have both particle and wave aspects.... But the wave aspects of their motion become more difficult to observe as their wavelengths become shorter.... For ordinary macroscopic particles the mass is so large that the momentum is always sufficiently large to make the de Broglie wavelength small enough to be beyond the range of experimental detection, and classical mechanics reigns supreme.”
- ^ Kumar, Manjit (2011). Quantum: Einstein, Bohr, and the Great Debate about the Nature of Reality (Reprint izd.). W. W. Norton & Company. str. 242, 375–376. ISBN 978-0-393-33988-8.
- ^ Bohr, N. (1928). „The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory”. Nature. 121 (3050): 580—590. Bibcode:1928Natur.121..580B. doi:10.1038/121580a0
.
- ^ Camilleri, K. (2009). Heisenberg and the Interpretation of Quantum Mechanics: the Physicist as Philosopher, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 978-0-521-88484-6.
- ^ Preparata, G. (2002). An Introduction to a Realistic Quantum Physics, World Scientific, River Edge NJ, ISBN 978-981-238-176-7.
- ^ Nathaniel Page Stites, M.A./M.S. "Light I: Particle or Wave?," Visionlearning Vol. PHY-1 (3), 2005. http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=132
- ^ Young, Thomas (1804). „Bakerian Lecture: Experiments and calculations relative to physical optics”. Philosophical Transactions of the Royal Society. 94: 1—16. Bibcode:1804RSPT...94....1Y. doi:10.1098/rstl.1804.0001.
- ^ Thomas Young: The Double Slit Experiment
- ^ Buchwald, Jed (1989). The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century
. Chicago: University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-07886-1. OCLC 18069573.
Literatura uredi
- H. Nikolic (2007). „Quantum mechanics: Myths and facts”. Foundations of Physics. 37 (11): 1563—1611. Bibcode:2007FoPh...37.1563N. arXiv:quant-ph/0609163 . doi:10.1007/s10701-007-9176-y.
- Young & Geller. „College Physics”. Arhivirano iz originala 16. 10. 2017. g. Pristupljeno 27. 07. 2020.
- B. Crowell. „Ch. 34, Light as a Particle” (Web page). Pristupljeno 10. 12. 2006.
- E.H. Carlson, Wave–Particle Duality: Light on Project PHYSNET
- R. Nave. „Wave–Particle Duality” (Web page). HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Pristupljeno 12. 12. 2005.
- Juffmann, Thomas; et al. (25. 3. 2012). „Real-time single-molecule imaging of quantum interference”. Nature Nanotechnology. 7 (5): 297—300. Bibcode:2012NatNa...7..297J. PMID 22447163. arXiv:1402.1867 . doi:10.1038/nnano.2012.34. Arhivirano iz originala 05. 10. 2016. g. Pristupljeno 21. 1. 2014.
- Chandrasekhar, S. (1950). Radiative Transfer. Oxford University Press.
- Goody, R. M.; Yung, Y. L. (1989). Atmospheric Radiation: Theoretical Basis (2nd izd.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-510291-8.
- Hermann, A. (1971). The Genesis of Quantum Theory. Nash, C.W. (transl.). MIT Press. ISBN 0-262-08047-8. a translation of Frühgeschichte der Quantentheorie (1899–1913), Physik Verlag, Mosbach/Baden.
- Kirchhoff, G.; [27 October 1859] (1860a). „Über die Fraunhofer'schen Linien” [On Fraunhofer's lines]. Monatsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin: 662—665.
- Kirchhoff, G.; [11 December 1859] (1860b). „Über den Zusammenhang zwischen Emission und Absorption von Licht und Wärme” [On the relation between emission and absorption of light and heat]. Monatsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin: 783—787.
- Kirchhoff, G. (1860c). „Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme and Licht” [On the relation between bodies' emission capacity and absorption capacity for heat and light]. Annalen der Physik und Chemie. 109 (2): 275—301. Bibcode:1860AnP...185..275K. doi:10.1002/andp.18601850205. Translated by Guthrie, F. as Kirchhoff, G. (1860). „On the relation between the radiating and absorbing powers of different bodies for light and heat”. Philosophical Magazine. Series 4, volume 20: 1—21.
- Kirchhoff, G. (1882) [1862], „Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht”, Gessamelte Abhandlungen, Leipzig: Johann Ambrosius Barth, str. 571—598
- Kondepudi, D.; Prigogine, I. (1998). Modern Thermodynamics. From Heat Engines to Dissipative Structures. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-97393-9.
- Kragh, H. (1999). Quantum Generations: a History of Physics in the Twentieth Century . Princeton University Press. ISBN 0-691-01206-7.
- Kuhn, T. S. (1978). Black–Body Theory and the Quantum Discontinuity. Oxford University Press. ISBN 0-19-502383-8.
- Landsberg, P. T. (1990). Thermodynamics and statistical mechanics (Reprint izd.). Courier Dover Publications. ISBN 0-486-66493-7.
- Lavenda, Bernard Howard (1991). Statistical Physics: A Probabilistic Approach. John Wiley & Sons. str. 41–42. ISBN 978-0-471-54607-8.
- Loudon, R. (2000) [1973]. The Quantum Theory of Light (third izd.). Cambridge University Press. ISBN 0-19-850177-3.
- Mandel, L.; Wolf, E. (1995). Optical Coherence and Quantum Optics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-41711-2.
- Mehra, J.; Rechenberg, H. (1982). The Historical Development of Quantum Theory. volume 1, part 1. Springer-Verlag. ISBN 0-387-90642-8.
- Mihalas, D.; Weibel-Mihalas, B. (1984). Foundations of Radiation Hydrodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-503437-6.
- Milne, E.A. (1930). „Thermodynamics of the Stars”. Handbuch der Astrophysik. 3, part 1: 63—255.
- Müller-Kirsten, Harald J.W. (2013). Basics of Statistical Physics (2nd izd.). World Scientific. ISBN 978-981-4449-53-3.
- Partington, J.R. (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry. Volume 1. Fundamental Principles. The Properties of Gases. Longmans, Green and Co.
- Planck, M. (1914) [1912]. The Theory of Heat Radiation. translated by Masius, M. P. Blakiston's Sons & Co.
- Rybicki, G. B.; Lightman, A. P. (1979). Radiative Processes in Astrophysics. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-82759-2.
- Schirrmacher, A. (2001). Experimenting theory: the proofs of Kirchhoff's radiation law before and after Planck. Münchner Zentrum für Wissenschafts und Technikgeschichte.
- Siegel, D.M. (1976). „Balfour Stewart and Gustav Robert Kirchhoff: two independent approaches to "Kirchhoff's radiation law"”. Isis. 67 (4): 565—600. PMID 794025. doi:10.1086/351669.
- Stewart, B. (1858). „An account of some experiments on radiant heat”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh. 22: 1—20. doi:10.1017/S0080456800031288.
- Wien, W. (1894). „Temperatur und Entropie der Strahlung” [Temperature and entropy of radiation]. Annalen der Physik. 288 (5): 132—165. Bibcode:1894AnP...288..132W. doi:10.1002/andp.18942880511.
