波動粒子二重性とその仕組み
Duncan1890 /ゲッティイメージズ
の波動粒子双対原理 量子物理学 実験の状況によって、物質と光は波動と粒子の両方の振る舞いを示すと考えられています。これは複雑なトピックですが、物理学で最も興味深いトピックの 1 つです。
光の波動粒子二重性
1600年代、クリスチャン・ホイヘンスと アイザック・ニュートン 光の振る舞いについて競合する理論を提案しました。ホイヘンスは光の波動理論を提案しましたが、ニュートンは光の「粒子」(粒子) 理論でした。ホイヘンスの理論には観測結果の一致にいくつかの問題があり、ニュートンの名声が彼の理論を支持するのに役立ち、1 世紀以上にわたってニュートンの理論が支配的でした。
19 世紀初頭、光の粒子理論に複雑な問題が生じました。 回折 1つには、適切に説明するのに苦労したことが観察されました。 トーマス・ヤングの二重スリット実験 は明らかな波動の振る舞いをもたらし、ニュートンの粒子理論よりも光の波動理論をしっかりと支持しているように見えました。
波は通常、何らかの媒体を介して伝播する必要があります。ホイヘンスが提唱した媒質は 光るエーテル (または、より一般的な現代の用語では、 エーテル ）。いつ ジェームズ・クラーク・マクスウェル 一連の方程式を定量化した (と呼ばれる) マクスウェルの法則 また マクスウェルの方程式 ） 説明する 電磁放射 （含む 可視光線 ) 波の伝播として、彼はまさにそのようなエーテルを伝播媒体として仮定し、彼の予測は実験結果と一致していました。
波動理論の問題点は、そのようなエーテルがこれまでに発見されていないことでした。それだけでなく、1720 年の James Bradley による星の異常に関する天文学的観測は、移動する地球に対してエーテルが静止している必要があることを示していました。 1800 年代を通して、エーテルまたはその動きを直接検出する試みが行われ、有名な マイケルソン・モーリーの実験 .彼らは皆、エーテルを実際に検出することに失敗し、20 世紀が始まると大きな論争を巻き起こしました。光は波だったのか、それとも粒子だったのか?
1905年、 アルバート・アインシュタイン を説明する論文を発表しました。 光電効果 は、光がエネルギーの個別の束として移動することを提案しました。光子に含まれるエネルギーは、光の周波数に関連していました。この理論は、として知られるようになりました 光子理論 光の (ただし、フォトンという言葉は数年後まで造られませんでした)。
光子の場合、波の振る舞いが観察される理由についての奇妙なパラドックスは依然として残っていましたが、エーテルは伝播手段としてもはや不可欠ではありませんでした。さらに奇妙なのは、二重スリット実験の量子変化と コンプトン効果 これは、粒子の解釈を確認するように見えました。
実験が行われ、証拠が蓄積されるにつれて、その意味はすぐに明らかになり、驚くべきものになりました。
光は、実験の仕方や観測のタイミングによって、粒子にも波動にもなる。
物質における波動粒子双対性
そのような二重性が物質にも現れるかどうかという問題は、大胆な ド・ブロイの仮説 、アインシュタインの研究を拡張して、観測された物質の波長をその運動量に関連付けました。実験は 1927 年に仮説を確認し、1929 年にノーベル賞を受賞しました。 ブロイの .
光と同じように、物質は適切な状況下では波動と粒子の両方の性質を示すように見えました。明らかに、質量のある天体は非常に短い波長を示します。実際には非常に小さいため、それらを波のように考えるのはかなり無意味です。しかし、小さな物体の場合、電子を使った二重スリット実験で証明されているように、波長は観測可能で重要です。
波動粒子双対性の意義
波動と粒子の二重性の主な重要性は、光と物質のすべての振る舞いが、波動関数を表す微分方程式を使用して説明できることです。 シュレディンガー方程式 .現実を波の形で表現するこの能力は、量子力学の核心です。
最も一般的な解釈は、波動関数が特定の点で特定の粒子を見つける確率を表すというものです。これらの確率方程式は、回折、干渉、およびその他の波のような特性を示す可能性があり、これらの特性も示す最終的な確率的波動関数になります。粒子は確率法則に従って分布することになるため、 波動特性 .言い換えれば、粒子が任意の場所にある確率は波ですが、その粒子の実際の物理的な外観はそうではありません。
数学は複雑ですが、正確な予測を行いますが、これらの方程式の物理的な意味を理解するのははるかに困難です。波動と粒子の二重性が「実際に意味する」ことを説明する試みは、量子物理学における議論の重要なポイントです。これを説明しようとする多くの解釈が存在しますが、それらはすべて同じ一連の波動方程式に拘束されており、最終的には同じ実験観測を説明する必要があります。
によって編集アン・マリー・ヘルメンスタイン博士