Является ли корпускулярно-волновой дуализм реальным дуализмом?

Двойственность — это отношения между двумя сущностями, которые, как утверждается, принципиально одинаково важны или законны как свойства лежащего в их основе объекта.

Точное определение «двойственности» зависит от контекста. Например, в теории струн двойственность связывает два, казалось бы, неэквивалентных описания физической системы, физические следствия которых при абсолютно точном изучении оказываются абсолютно идентичными.

Корпускулярно-волновой дуализм (или дуализм) недалек от этой «крайней» формы дуальности. Это действительно говорит о том, что такие объекты, как фотоны (и состоящие из них электромагнитные волны) и электроны, обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами, и они одинаково естественны, возможны и важны.

На самом деле можно сказать, что есть два эквивалентных описания частиц – в позиционном базисе и в импульсном базисе. Первое соответствует парадигме частиц, второе соответствует парадигме волн, потому что волны с четко определенными длинами волн представлены простыми объектами.

Конечно, неправда, что Юнг ошибался, а Ньютон был прав. Вплоть до 20-го века казалось очевидным, что Юнг был более прав, чем Ньютон, потому что свет бесспорно проявляет волновые свойства, как это видно из экспериментов Юнга и явлений интерференции и дифракции в целом. Те же самые волновые явления применимы к электронам, которые также ведут себя как волны во многих контекстах.

На самом деле современная «теория почти всего» называется квантовой теорией поля, и она основана на полях как на фундаментальных объектах, тогда как частицы — это просто их квантованные возбуждения. В поле могут быть волны, и квантовая механика просто говорит, что для фиксированной частоты$f$, энергия, переносимая волной, должна быть кратна$E=hf$. Целое число, подсчитывающее кратное, интерпретируется как количество частиц, но объекты в большей степени представляют собой волны.

Можно также принять точку зрения или описание, в котором частицы выглядят более элементарными, а волновые явления являются лишь их вторичным свойством.

Ни один из этих двух подходов не является неправильным; ни один из них не является «качественно более точным», чем другой. Они действительно в равной степени действительны и в равной степени легитимны — и математически эквивалентны, если их правильно описать — вот почему слово «двойственность» или «дополнительность» так уместно.

Эффективно, как подчеркивает сайт CERN

Теории и открытия тысяч физиков за последнее столетие привели к замечательному пониманию фундаментальной структуры материи: все во Вселенной состоит из двенадцати основных строительных блоков, называемых фундаментальными частицами, управляемыми четырьмя фундаментальными силами.

Следует подчеркнуть, что они относятся к квантовым частицам. Квантовая частица — это не ньютоновская частица. Квантовая частица — это не волна. Квантовая частица никогда не ведет себя как волна, и именно поэтому дисциплина, изучающая квантовые частицы, такие как электроны, кварки или фотоны, называется «физикой элементарных частиц», а не «волновой физикой».

На ваш вопрос о корпускулярно-волновом дуализме хорошо ответили на сайте Клейна :

истинного корпускулярно-волнового дуализма не существует.

Сайт также раскрывает интересные исторические подробности о том, как неверные представления о дуальности и дополнительности были основаны на раннем неправильном понимании квантовой теории, а также о некоторых технологических ограничениях аппарата, использовавшегося в ранних экспериментах по интерференции с двумя щелями.

Являются ли «частицы» действительно «волнами»? В ранних экспериментах дифракционные картины регистрировались целостно с помощью фотопластинки, которая не могла регистрировать отдельные частицы. В результате выросло представление о том, что свойства частиц и волн взаимно несовместимы или дополняют друг друга в том смысле, что для их наблюдения потребуются разные измерительные приборы. Однако эта идея была всего лишь неудачным обобщением технических ограничений. Сегодня можно обнаружить прибытие отдельных электронов и увидеть, как дифракционная картина проявляется как статистическая картина, состоящая из множества маленьких пятен (Tonomura et al., 1989).

Сегодня мы знаем, что корпускулярно-волнового дуализма не существует, и современная литература избегает термина:

Чудесная «дуальность волна-частица» продолжает процветать в популярных текстах и ​​элементарных учебниках. Однако частота появления этого термина в научных работах в последние годы снижается (то же самое относится и к боровскому понятию дополнительности).

На самом деле, если бы корпускулярно-волновой дуализм существовал или играл фундаментальную роль, его можно было бы найти в современных учебниках. Критик в комментариях апеллирует к квантовой теории поля, но дело в том, что вы не можете найти термин «дуализм волна-частица» в указателях недавних учебников по квантовой теории поля, таких как Вайнберг (том I), или в классиках, таких как учебник Мандла. & Шоу. Почему? Потому что в природе не существует корпускулярно-волнового дуализма.

Вы также можете проверить научный глоссарий CERN и убедиться, что там нет записи или упоминания о «дуализме волны и частицы». Почему? Потому что в природе не существует корпускулярно-волнового дуализма.

Некоторые считают, что волновые функции, используемые в некоторых формулировках КМ, являются настоящими волнами, но это ошибка. Волна — это физическая система, которая переносит энергию и импульс. Волновая функция — это математическая функция, которую невозможно наблюдать. Волновые функции — это лишь приблизительный способ представления состояний истинных квантовых объектов в некоторых формулировках КМ. Квантовое состояние открытой системы не может быть представлено волновой функцией. Это не просто вопрос семантики.

Как ясно объясняет цитированный выше сайт Клейна, все квантовые явления, включая интерференционные картины, можно объяснить без какой-либо корпускулярно-волновой дуальности.

Можно также проанализировать такие эксперименты, как эксперимент с двойной щелью с электронами. Как указывалось выше, сегодня можно обнаружить прибытие отдельных электронов и увидеть, как дифракционная картина проявляется в виде статистической картины, состоящей из множества маленьких пятен. Чтобы получить статистическую картину интерференции, вам необходимо повторить эксперимент в течение определенного периода времени и совместить результаты каждого из отдельных запусков в окончательной статистической фигуре.

Наблюдаемая статистическая интерференционная картина соответствует статистическому распределению положений различных частиц в разное время. Для одного электрона нет волнового поведения:

Проявления волнообразного поведения носят статистический характер и всегда являются результатом коллективного результата многих электронных событий. В настоящем эксперименте ничего волнообразного в приходе одиночных электронов к плоскости наблюдения не наблюдается. Только после прибытия, возможно, десятков тысяч электронов возникает картина, интерпретируемая как волнообразная интерференция.

Заметьте, автор правильно пишет "волнообразный", потому что в эксперименте не регистрируется настоящая волна , а в детекторе наблюдается только статистическая картина.

@annaV написала отличное замечание о нашем современном понимании этого эксперимента. Я бы добавил, что последние достижения в квантовой теории позволяют вычислить траекторию каждой частицы в эксперименте. Результат теоретического моделирования частицы, за которой следует каждая частица в эксперименте с двумя щелями:

который точно предсказывает наблюдаемое поведение и точную картину интерференции в эксперименте с двумя щелями.

К сожалению, развитие квантовой механики было наполнено мифами и неправильными представлениями. Я бы порекомендовал учебник Ballentine для строгого и углубленного изучения квантовой механики без старых заблуждений, таких как «дуализм волны и частицы»:

Этот подход заменяет эвристические, но неубедительные аргументы, основанные на аналогии и корпускулярно-волновом дуализме, которые так расстраивают серьезных исследователей.

Квантовая механика в современном развитии считается одним из лучших учебников на сегодняшний день.

Я думаю, вы будете менее сбиты с толку ответами, если будете четко помнить, что волновые уравнения — это специфические дифференциальные уравнения , применимые ко многим классическим системам, которые подробно изучались более двух столетий применительно к свету, звуку и жидкостям.

Так получилось, что дифференциальные уравнения, впервые описывающие наблюдаемое квантованное поведение микромира, подобно уравнению Шредингера , также являются волновыми уравнениями. Вот почему говорят о волновых функциях. Но, и это следует подчеркивать снова и снова, то, что описывают квантово-механические решения, не является волной размером с «частицу» в$(x,y,z,t)$но вероятность найти "частицу" на$(x,y,z,t)$или с четырех вектором$(p_x,p_y,p_z,E)\;.$

Термин «частица», используемый в классической физике, например, в молекулах идеального газа, создает здесь путаницу. Мы должны называть их «элементарными сущностями», которые можно описать как волны вероятности для некоторых проявлений, как на изображении с двумя щелями в ответе Хуанрги здесь, а иногда как частицы классического поведения, т.е. имеющие определенные координаты и определенные четыре вектора, описывающие их движение. , для других моделей поведения.

Эти электронно-позитронные пары появляются при определенных$(x,y,z,t)$с определенными четырьмя векторами на этой фотографии пузырьковой камеры.

Посмотрите, запуск последовательных электронов по одному в экспериментальной установке с двумя щелями действительно выявляет события обнаружения одиночных электронов на пластине детектора; Верно также и то, что после многих таких событий возникает паттерн, согласующийся с интерференционным паттерном. Просто сказать, что интерференционная картина является результатом статистической картины многих событий обнаружения, совсем не объяснить, почему эта картина согласуется с волновой интерференцией! Единичные события обнаружения действительно согласуются с корпускулярной природой электрона, но картина волновой интерференции после накопления множества таких одиночных событий согласуется с волновой природой электрона. Вместо того, чтобы игнорировать волновую природу электрона, то, что было описано, на самом деле довольно ясно демонстрирует корпускулярно-волновой дуализм, реальность которого некоторые пытались отрицать. Интерференционная картина должна объясняться исключительно с точки зрения физики элементарных частиц, если кто-то хочет отрицать волновую природу электрона, а этого я еще не видел. С другой стороны, я еще не слышал объяснения того, как «волна вероятности» может демонстрировать реальную физическую интерференцию, если это всего лишь математическая абстракция. Таким образом, волновой аспект дуальности волновых частиц также нуждается в дальнейшем объяснении или понимании.

Хотя все состоит из частиц, они не являются типичными частицами « бильярдного шара », потому что у них есть фаза.

^{источник}

Следствием этого является то, что они демонстрируют примеры помех при соответствующей настройке. Например:

• В эксперименте с двумя щелями частицы попадают на экран в соответствии с интерференционными картинами, а не простым рассеянием.

• В атоме электроны связаны с определенными орбиталями , которые соответствуют его резонансным частотам.

и многое другое.

Другими словами, не был ли прав Янг и прав Ньютон, а не правы ли они оба?

Локализация определяет то, что большинство физиков считают частицами, т.е. да, эфир Ньютона - избавление природы от ее инертной стадии. Но физика 20-го века по-прежнему опирается на инертную стадию и не может отрицать, что волны лежат в основе СМ. Но если мы сможем изменить математику, то избавимся ли мы от волн (как говорит кто-то в ЦЕРНе)? Все еще НЕТ . Двойственность — это глубинный принцип квантового мира, даже если в квантовой теории информации еще предстоит разобраться в природе волн.

Напомним, что принцип неопределенности Гейзенберга можно вывести , приняв правило де Бройля для волн-материи (длины волн ограничивают разрешение). Такое использование массы более физическое, чем классическое, где она на самом деле является просто параметром. (По иронии судьбы, как вы знаете, именно Ньютон (а также Декарт и Галилей) инициировали смешение инертной стадии). Теперь нас учат думать о световых волнах в «вакууме» а-ля Максвелл, но это заставило бы Ньютона перевернуться в гробу. Нам нужно думать о возникающем фоновом пространстве-времени.из полей em. Это современная точка зрения (но, похоже, ее еще никто не понял). Тогда волны и частицы описывают два различных свойства пространства-времени — одно локальное (события) и одно нелокальное (интерференция и т. д.). Мы предполагаем, что новые теории требуют обоих типов информации. Все это чрезмерное упрощение, но посмотрите, как Ньютон подходит только для идей 20-го века, а не дальше. Таким образом, Юнг по-прежнему неправ в контексте старого эфира, но преемственность идей от классической оптики до КМ и КТП нельзя забывать, когда мы разбираем идею волновых функций. Заметьте также, что исторические эксперименты были очень осторожны, чтобы продемонстрировать, что и волны, и частицы являются аспектами лежащей в основе природы — и нашего слабого понимания.

Где же сейчас де Бройль? Принцип неопределенности в теории струн использует глубокие математические дуальности (STU). В принципе, это происходит из модифицированного принципа де Бройля (извините, я не знаю хорошего рефери). Это выходит далеко за рамки оригинального WPD, но я думаю, что подчеркивает важность WPD. Событие — это не просто точка классического пространства-времени (поскольку это нефизично в теории с неопределенностью), поэтому WPD — в некотором смысле лучшая идея для построения состояний пространства-времени из локальной и нелокальной информации.

Позвольте мне сначала показать вам этот пример, мы находим много в сети:

Здесь детекторами являются грани коробки, в которой находится цилиндр. В большинстве случаев этот пример используется для иллюстрации двойственности волновых частиц двойственности. И, как мы видим, детекторы могут обнаруживать круг (в желтом детекторе) или квадрат (в синем детекторе). Но цилиндр не квадрат, не круг и не более того и то и другое одновременно. Это просто цилиндр.

Так что на самом деле двойственности волновых частиц не существует.

Мы можем сказать примерно следующее: в физике мы пытаемся найти уравнение, управляющее поведением вещей, и для этого мы используем математику, и во всех случаях мы говорим (и мы должны сказать, если это приближение), что все идет как если (вот это поясню ниже) это то или иное.

Объяснение:

Рассмотрим простую вещь, которую мы можем сделать в механике. Если вы хотите узнать, что произойдет с предметом, если вы подбросите его в воздух. Если вы примете их вес за силу и не более того, вы обнаружите, что его траектория представляет собой параболу. А если вы снимете фильм о своем объекте в воздухе и посмотрите его положение изображение за изображением, вы сделаете вывод: « Все идет как если бытраектория моего объекта - парабола." Но на самом деле это неправильно, есть трение из-за воздуха, и земля вращается, тогда есть какая-то сила инерции и т. д... Затем со временем мы получаем все большую и большую точность в наше исчисление, и если вы знаете разные уравнения для своего пути и если у вас есть очень хороший детектор (вместо ваших глаз), у вас будет возможность сказать: «О да, все идет так, как это решение этого уравнения пытается представить.

Теперь вернемся к двойственности. У нас есть некоторые уравнения, которые более или менее хорошо объясняют то, что происходит в квантовой механике. И для некоторых решений некоторых уравнений мы можем сказать в эксперименте Юнга, что все идет так, как если бы «частицы» были волнами, а для фотоэлектрического эффекта мы можем сказать, что все идет так, как если бы «частицы» были частицами. Но на самом деле мы не знаем, что именно они собой представляют. И, как мы видим с цилиндром, мы можем заключить, что должно быть возможно, что «частицы» не являются частицами или волнами, а не тем и другим в одно и то же время.

Когда Эйнштейн пытался объяснить фотоэлектрические явления, он представлял фотоны не как частицы, а как плотность энергии, разбросанную в очень маленьком космическом пространстве (здесь мне трудно перевести с французского, я попрошу друга и изменю позже если это не так) электромагнитная волна, которая является светом. А фотон просто представлен как энергия, которую он несет.

В заключение, что мы можем сказать, двойственность волновой частицы не совсем реальна, когда-нибудь для решения проблемы будет легче считать, что «частица» является волной, потому что уравнения работают лучше, а для некоторых других задач мы будет считать их частицами по тем же причинам. Но мы не знаем, что именно они собой представляют, и они определены в математике, имеет плотность вероятности, и на самом деле все обстоит так, как если бы это было так, но на самом деле (без меры, потому что, как вы можете видеть на моем примере цилиндр, мера преобразуют реальность как нечто действительно иное, здесь два объекта измерения для одного в трех измерениях) это должно быть что-то действительно отличное от этого, мы никогда не увидим или никогда не вообразим, потому что наш мозг слишком ограничен.

Ваше восприятие реальности основано на вашем IQ, развитом в повседневном мире. Не применяйте его для понимания квантового мира.

Всех обитателей Квантового царства мы еще не поняли полностью. Они не частицы и не волны... они нечто иное. В нашем повседневном языке нет слов для обозначения таких вещей.

Эксперимент Юнга с двумя щелями говорит, что это волны (эксперимент с двумя щелями также можно проводить с атомами, электронами и т. д., а не только со светом). Комптоновское рассеяние и фотоэлектрический эффект говорят, что это частицы. Объединяя результаты всех достоверных экспериментов, они обладают свойствами как волны, так и частицы одновременно. Здравый смысл может отрицать это, но это правда.

Современная версия эксперимента Янга с двумя щелями:
если вы не знаете, когда свет от одного и того же источника проходит через две параллельные щели, на втором экране формируется интерференционная картина, похожая на штрих-код. Это похоже на интерференцию водяных волн.

В современной версии эксперимента во многих местах второго экрана размещены чувствительные детекторы для подсчета прихода фотонов. Результаты интересны: они такие же, как и у исходного результата Янга. Белая полоса получает очень большое количество фотонов, а черная полоса почти не пропускает фотонов. Но проблема в том, что интерференция — это свойство волн. Как быть с моделью частиц? Между фотонами нет координации. Они полностью одни. Откуда фотон может знать, где приземлится его собрат-фотон? Ну, решение этого несколько сложно. Смотри ниже.

Чтобы более четко представить концепцию двойственности, посмотрите на современное объяснение эксперимента Юнга с двумя щелями с помощью уравнения Шредингера :
Свет проявляется либо как поток частиц, либо как волна. Мы не видим обе стороны медали одновременно. Итак, когда мы наблюдаем свет как поток частиц, не существует волны, которая информировала бы эти частицы о том, как себя вести, и наоборот. Чтобы решить эту проблему, Эрвин Шредингер предложил идею (первоначально физики взялись за нее, но она изменила правила игры во всей физике). Он представил себе абстрактную математическую волну, которая распространяется в пространстве, встречает препятствия, отражается и передается, точно так же, как волна воды распространяется по пруду. В местах, где высота волны была большой, вероятность найти частицу была самой высокой, а в местах, где она была небольшой, вероятность была самой низкой.
С волной вероятности, описываемой уравнением Шредингера, можно увидеть это необычное свойство фотона: поскольку фотон может пройти либо из щели 1, либо из щели 2, уравнение Шредингера должно допускать существование двух волн, одна из которых соответствует фотону, проходящему через щель. 1 и другой, соответствующий фотону, проходящему через щель 2. Здесь нет ничего удивительного. Однако, если допускается существование двух волн, то допускается и их суперпозиция. Для волнения в море такое сочетание не является чем-то из ряда вон выходящим. Но здесь комбинация соответствует чему-то экстраординарному: фотон передается из обеих щелей одновременно!

То же верно и для любого другого обитателя Квантового мира. Это означает, что атом, электрон и т. д. могут существовать более чем в одном месте одновременно и делать несколько вещей одновременно (основа грядущего квантового компьютера). Если вы видите модель частиц таким образом (что на 100% правильно), ваш здравый смысл не отвергнет волновую модель.

Я бы сказал ИМХО, говоря о фотонах (и затем обобщая): Ньютон показал, что свет ведет себя как частица, а Гюйгенс показал, что свет ведет себя как волна. Оба, безусловно, правы, поскольку они только что показали это! То, что понимается под «поведением волны» или «поведением частицы», может быть подвергнуто сомнению, но я предполагаю, что все здесь примерно согласны с тем, что я имею в виду.

Квантовая механика (КМ) только что завершила борьбу, объединив картину и показав, что оба описания применимы к состояниям материи! КМ показывает, что частица описывается волновой функцией (все здесь согласны с этим) и, следовательно, волной. Хотя волновая функция, безусловно, не является обычной классической волной, она определенно проявляет волновые свойства, такие как фаза и интерференция; это как раз то, что все мы, ребята, здесь согласны относить к «поведению частиц».

С тем, что выше, я полагаю, что все согласны. То, что у некоторых из нас может быть другое мнение, - это утверждения типа «когда обнаруживается поведение частицы, поведение волны не может быть отображено» и наоборот. Этот принцип исключения каким-то образом эфемерен и требует точного определения того, что мы подразумеваем под поведением частицы или волны. Обычно определения, на которых основаны эксперименты, таковы: «частицы» обнаруживаются в определенном месте, а волны мешают». помехи исчезают.Как только вы стираете эту информацию,появляются помехи.Если мы ограничим принцип исключения этим,то я опять полагаю,что все здесь согласны с этим.

Я предпочитаю отвечать так. Частица х или волна х может быть частицей, а может быть волной, но не измеряемой одновременно. Я считаю, что двойственность относится к математике. Математика верна в обоих случаях. В математике нет описания того, когда эта сущность должна быть частицей или волной, если они измеряются одновременно. Я не верю, что какой-либо эксперимент измерял природу частиц и природу волн одновременно. Например, в эксперименте с двумя щелями вы не видите фотоумножитель, щелкающий по фотону, в то время как вы видите интерференционную картину на переднем плане, не так ли? Двойственность существует, но нет ничего, что диктовало бы, что двойственность не может следовать закону исключенного третьего.

Было бы совершенно неправильно настаивать на том, что такого явления, как корпускулярно-волновой дуализм, не существует, не определив сначала точно, что имеется в виду под этим термином. Нет сомнений в том, что частицы всех видов, в том числе большие молекулы, состоящие из очень многих атомов, проявляют интерференционное поведение, несмотря на тот факт, что фундаментальные частицы всегда выглядят точечными при обнаружении. Поиск в Интернете показывает, что термин корпускулярно-волновой дуализм и связанные с ним термины, такие как «волны материи», широко используются в недавно опубликованных учебниках и исследовательских работах.

Столь же неправильно было бы интерпретировать этот термин как означающий, что волновая функция, связанная с частицей, является каким-то образом размытой версией самой частицы. Волновые функции — это сложные математические объекты, которые можно использовать для моделирования различных вероятностей, связанных с поведением частиц, с которыми они связаны.

Любой, кто утверждает, что корпускулярно-волнового дуализма не существует, не отдает должного загадке квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм нельзя замести под ковер. Тем не менее, часто повторяемое утверждение о том, что электрон или фотон могут быть волной или частицей в зависимости от того, за чем их наблюдают, неверно.

Корпускулярно-волновой дуализм можно кратко резюмировать следующим образом. Электроны и фотоны, кварки и т. д. являются точечными частицами, однако их поведение определяется волнами или волновыми функциями. В свою очередь, волновые функции ненаблюдаемы, но их последствия поразительно очевидны.