Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Waves and Particles Living Together

Уживаюшиеся волны и частицы.

В квантовой физике, два альтернативных объяснения работы света в зависимости от обстоятельств.

Иногда свет действует как волны, и иногда это ведет себя как частица, фотон.

По мере того как квантовая физика продолжала развиваться, этот дуализм волны-частицы появляется снова и снова, поскольку даже частицы, казалось, начинают вести себя как волны.

Объяснение этого странного поведения находится в волновой функции кванта, которая описывает поведение отдельных частиц способом подобным волне.

Эта странное квантовое поведение частиц и волн имеет решающее значение для понимания квантовых теорий таких как теория струн.

Теория Эйнштейна специальной относительности по-видимому разрушила теорию эфирной среды, и со своей теорией фотона он доказал, как свет может работать без него.

Проблема состояла в том, что в течение более чем столетия существовало доказательство того, что свет на самом деле действовал как волна.

Свет как волна: Эксперимент с двумя щелями

Эксперимент, который доказал, что свет действует как волна был экспериментом с двумя щелями.

Он показал что луч света, проходящий через две щели создает интерференцию светлых и темных полос на экране.

Такого рода изменения являются отличительной чертой поведения волны, а это означает, что свет должен был быть в форме волны.

Эти интерференционные картины света были замечены во времена Исаака Ньютона, в работе Франческо Марии Гримальди.

Эти эксперименты были значительно улучшены молодым экспериментатором Томасом Юнгом в 1802 году.

Для наглядности эксперимента, свет, проходящий через две щели, должен иметь одинаковую длину волны.

Сегодня, это можно сделать с помощью лазеров, но они были недоступны во времена Юнга, поэтому он придумал гениальный способ получить одинаковую длину волны.

Он сделал одну щель и пропустил свет через это, а затем свет пропускал через две щели.

Поскольку свет, проходящий через две щели, приходил из одного источника, лучи находились в фазе друг с другом и эксперимент работал.

Эта экспериментальнная установка показана на рисунке 7-3.

Рисунок 7-3: В эксперименте с двумя щелями, свет создает светлые и темные полосы на экране.

Как вы можете видеть на рисунке, конечным результатом является серия светлых и тёмных полос на последнем экране.

Это происходит из-за интерференции световых волн, показанной ранее на рисунке 5-2 в главе 5.

Напомним, что изменение обусловлено наложением амплитуды волн.

Когда высокие и низкие амплитуды накладываются, они уравновешивают друг друга, создавая темные полосы.

Если высокие амплитуды перекрывают друг друга, амплитуда общей волны равна их сумме, и то же самое происходит с низкой амплитудой, в результате чего образуются светлые полосы.

Это двойное поведение было проблемой фотонной теории света Эйнштейна, потому что, хотя фотон имел длину волны, согласно Эйнштейну, он все еще был частицей!

Как у частицы могла существовать длина волны?

Концептуально, это не имело никакого реального смысла, до тех пор, пока молодой француз не предложил решение.

Частицы как волны: Гипотеза де Бройля

В 1923 француз Луи де Бройль предложил смелую новую теорию: частицы материи также имели длину волны и могли вести себя как волны, что фотоны и делали.

Здесь была цепь рассуждений де Бролья.

В рамках специальной теории относительности, материя и энергия были разными проявлениями одного и того же.

Фотон - частица энергии, с длиной волны, связанной с ним.

Таким образом, частицы вещества, например электроны, также должны иметь длину волн.

В его докторской диссертации изложенны вычисления относительно длины волны (и имеющихся других волновых свойств).

Два года спустя, два американских физика продемонстрировали эксперимент де Бройля выполняя эксперименты, которые показали, интерференционную картину с электронами, как показано на рисунке 7-4.

(Эксперимент 1925 года фактически не был экспериментом с двумя щелями, но он ясно показал интерференционную картину.

Эксперимент с электронами с двумя щелями проводился в 1961.)

Рисунок 7-4: Электроны демонстрируют интерференционную картину в эксперименте с двумя щелями.

Это поведение показало, что каким бы ни был квантовый закон, который управлял фотонами, он также управлял и частицами.

Длина волны частиц, таких как электрон очень маленькая по сравнению с фотоном.

Для более крупных объектов, длина волны даже еще ​​меньше, быстро становясь настолько малой что становиться незаметной.

Вот почему такого рода поведение не проявляется у более крупных объектов.

Если вы швыряете мячи через две щели, вы никогда не увидите интерференционную картину.

Однако, это оставило открытым вопрос, что вызывало волновое поведение в этих частицах энергии или материи.

Ответ лежит в основе новой области квантовой механики.

(Теория струн позже скажет, что оба типа частиц — материя и энергия — являются проявлениями вибрирующих струн, но это будет приблизительно через 50 лет со времени де Бролья.)

Вы можете представить себе проблему, если посмотрите на изображение на рисунке 7-5 полученное вследствие эксперимента.

Световая волна проходит через обе щели, и вот почему волны влияют друг на друга.

Но электрон или фотон, если на то пошло, не может пройти через обе щели одновременно, если вы думаете о них так, как мы привыкли думать, он должен выбрать щель.

В этом классическом случае (где фотон твердый объект, который имеет определенную позицию), там не должно быть никаких помех.

Пучок электронов должен попасть на экран в одном общем месте, как если бы вы бросали мячи через отверстие в стену.

(Вот почему квантовая физика бросает вызов нашему классическому мышлению об объектах и была сочтена довольно спорной в ее первые годы.)

В самом деле, если закрыть одну из щелей, именно это и происходит.

Когда щель закрыта, интерференционная картина исчезнет - фотоны или электроны собираются в одну полосу, которая расходиться от самого яркого пятна в центре.

Таким образом, интерференционная картина не может быть объяснена частицами отскакивающими в сторону от щели или что-нибудь подобное нормальному.

Это действительно странное поведение требует по-настоящему странного решения - в виде квантовой механики.

Рисунок 7-5: Интерференционных картин возникают, когда волны проходят через обе щели.

Спасение квантовой физики: волновая функция кванта

Решение проблемы приняло форму квантовой волновой функции, разработанной Эрвином Шредингером.

В этой функции, расположение частицы диктуется волновым уравнением, описывающем вероятность существования частицы в данной точке, даже при том, что частица имеет определенное местоположение при измерении.

Волновая функция Шредингера частично основана на его прочтение гипотезы де Бройля о материи, имеющий длину волны.

Он использовал это поведение, чтобы проанализировать атомные модели, созданные Нильсом Бором (который я освещаю в Главе 8).

Получившаяся волновая функция объяснила поведение этих атомов с точки зрения волн.

(Студент Бора, Вернер Гейзенберг, придумал другое математическое представление для решения проблемы атома.

Матричный метод Гейзенберга, как оказалось позже, был математически эквивалентен волновой функции Шредингера.

Эти своего рода параллельные работы часто происходят в физике, что вы увидите в главах 10 и 11 о развитии теории струн.)

Волновая функция создает волновое поведение.

С этой точки зрения, волна проходит через обе щели, даже при том, что ни одна классическая отдельная частица не может пройти через обе щели.

Волновая функция которая описывает вероятность достижения частицей определенной точки, может считаться проходящей через обе щели, создавая интерференционную картину.

Это картина интерференции вероятностей, даже при том, что сами частицы в конечном счете имели определенное местоположение (и, следовательно, должны проходить через одну щель).

Тем не менее, это не конец странной истории эксперимента с двумя щелями.

Странное двойственное поведение - волна и частица - существовало по прежнему.

Но теперь существовали математические основы, что позволило физикам говорить об определенной двойственности, что придавало некий математический смысл.

Теория все еще хранила много тайн, которые будут раскрыты.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145368

Переводчики: Irina73, Swarlz