دوگانگی موج – ذره فیزیک کوانتوم

دوگانگی موج – ذره یک خاصیت نور هست که هر وقت خودش دلش بخواد به شکل موجی حرکت می نه و هر وقت هم دلش بخواد به شکل ذره حرکت می کنه که نیوتن میگفت نور از ذره هست و هویگنس می گفت نور از موج هست؛ و شما نمیتونید بگید که نور همیشه به شکل خاصی هست این رو میشه یک معجزه و شعور در خود نور دونست.

دوگانگی موج و ذره بر این فرض استوار است که تمامی ذرات دارای هر دو خاصیت موجی و ذره‌ای هستند. این دوگانگی یکی از مفاهیم اصلی مکانیک کوانتومی است. در نقطه مقابل آن مفاهیم کلاسیک قرار دارند که ذرات را به صورت موج یا ذره در نظر می‌گیرند و از توصیف کامل رفتار ذرات با ابعاد کوانتومی عاجزند. در مکانیک کوانتومی این تناقض را معمولاً به عنوان یک خاصیت بنیادی از جهان تفسیر می‌کنند در حالی که در سایر تفسیرها، این دوگانگی را نتیجه محدودیتهای مختلف ناظر میدانند. این تفسیر بر اساس تفسیر کپنهاگی استوار است که در آن دوگانگی موج و ذره یکی از صور اصل مکملیت است که بیان می‌کند که یک پدیده می‌تواند به صورت یکی از این اشکال دوگانه مشاهده شود نه هر دو به صورت همزمان.

سرچشمه این تئوری

مسئله دوگانگی به بحثی پیرامون ماهیت نور و ماده در قرن ۱۷ ام باز می‌گردد که تئوریهای رقیب مربوط به نور توسط کریستین هویگنس و آیزاک نیوتن مطرح شدند. نیوتن معتقد بود که نور تنها از ذرات تشکیل شده در حالی که هویگنس نور را تنها شامل امواج می‌دانست. بر اساس تحقیقات ماکس پلانک، آلبرت اینشتین، لویی دوبروی، آرتور کامپتون، نیلز بور و بسیاری از دانشمندان دیگر، امروزه تمامی ذرات را دارای خاصیت موجی هم می‌دانیم و برعکس. این پدیده نه تنها برای ذرات بنیادی که برای ذرات ترکیبی همچون اتمها و مولکولها نیز به اثبات رسیده است. طول موج مربوط به ذرات بزرگ بسیار کوچک بوده و معمولاً قابل آشکارسازی نیست.

ذرات الکتریسیته

الکتریسیته در ابتدا به صورت یک سیال تصور می‌شد ولی اکنون می‌دانیم که از ذراتی به نام الکترونها تشکیل شده است. این کشف توسط جوزف تامسون با آزمایش لامپ پرتو کاتدی در سال ۱۸۹۷ انجام شد. او در این آزمایش متوجه شد که بارهای الکتریکی قادر به عبور از داخل یک لامپ خلأ هستند. نتیجه این آزمایش با ماهیت سیال بودن الکتریسیته در تناقض بود زیرا خلأ دارای مقاومت بی‌نهایت و فاقد هر گونه ماده‌ای برای هدایت الکتریسیته بود. از طرفی الکترومغناطیس به صورت امواج متغیر الکتریکی و مغناطیسی تصور می‌شد و پذیرفتن الکتریسیته و بارها به صورت ذرات کار آسانی نبود.

اثر فوتوالکتریک
پنج سال بعد از پلانک، آلبرت اینشتین توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس فوتونها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترونهای اتم، انرژی خود را به آنها داده و خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و یک جریان فوتوالکترونی را در مدار خارجی ایجاد می‌کند. مقدار جریان در مدار خارجی بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

هویگنس و نیوتن

اولین تئوری جامع درباره نور توسط هویگنس بیان شد. او تئوری موج را برای نور بیان کرد و نشان داد که چگونه تداخل امواج سبب ایجاد یک جبهه موج با خط سیر مستقیم می‌گردد. در پی عدم موفقیت این تئوری در مورد سایر مواد، نیوتن تئوری ذره‌ای نور را بیان کرد. او نور را شامل ذرات می‌دانست و در نتیجه توضیح برخی پدیده‌ها مانند بازتاب آسان بود. این تئوری همچنین قادر به توضیح شکست نور توسط یک عدسی یا تشکیل یک رنگین‌کمان توسط یک منشور بود. این تئوری تا یک قرن پا بر جا ماند.

یانگ، فرینل و ماکسول

در اوایل قرن ۱۹ میلادی توماس یانگ و آگوستین فرینل با انجام آزمایش دوشکاف شواهد تازه‌ای برای تئوری موج هویگنس ارائه کردند. این آزمایشها نشان داد که زمانی که مانعی شامل دو شکاف در مسیر عبور نور قرار داده شود، نور خروجی یک الگوی تداخل امواج را مانند آنچه در امواج آب دیده می‌شود ایجاد می‌کند. این تئوری قادر به توضیح پدیده قطبش بود.

جیمز کلارک ماکسول در اواخر قرن نوزدهم میلادی با ارائه معادلات ماکسول، نور را به صورت امواج الکترومغناطیسی معرفی کرد. این معادلات در سال ۱۸۸۷ توسط آزمایشهای هاینریش هرتز تأیید و از آن پس تئوری موج فراگیر شد.

معادلات ماکسوِل، معادله‌های دیفرانسیل با مشتقات جزئی هستند که به‌همراه قانون نیروی لورنتس، مبانی الکترومغناطیس کلاسیک، اپتیک کلاسیک، و مدارهای الکتریکی را تشکیل می‌دهند. این معادلات، مدل ریاضی فناوری‌های الکتریکی، اپتیکی، و رادیویی مانند تولید توان الکتریکی، موتورهای الکتریکی، مخابرات بی‌سیم، رادار، عدسی‌ها، و … را ارائه می‌کنند. معادلات ماکسول، چگونگی تولیدشدن میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را توسط بارها و جریان‌های الکتریکی، و نیز تولیدشدن یکی از این میدان‌ها با تغییر میدان دیگر را توصیف می‌کنند.

این معادله‌ها اولین بار توسط فیزیکدان اسکاتلندی جیمز کلارک ماکسول فرمول‌بندی شده‌اند. انواع فرمول‌بندی برای این معادله‌ها می‌توان ارائه داد. خود ماکسول این معادلات را در قالب هشت معادله ارائه کرده‌بود، ولی مشهورترین فرمول‌بندی را اُلیوِر هِوی‌ساید (Heaviside) ارائه کرد که دو فرم دیفرانسیلی و انتگرالی دارد.

حرکت نور بصورت موجی و ذره ای می باشد.
جنس نور از الکترو مغناطیس هست برای همین حرکت نور را بصورت سینوسی در نظر می گیرند.
آیا امواج الکترومغناطیسی سینوسی هستند؟
اول از همه ، امواج الکترومغناطیسی به دلیل فرض میدان های هارمونیک زمان و نحوه بیان تمام ریاضیات مربوط به معادلات ماکسول ، سینوسی هستند. و همه اینها فرض می کند که فقط یک فرکانس وجود دارد ، فرکانس هر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی.
آیا نور موج سینوسی است؟
نور به عنوان یک موج سینوسی نشان داده می شود زیرا نور آن یک فرکانس است و بنابراین ساده تر است که می توان روی کاغذ ترسیم کرد. نور لیزر یک فرکانس است. نور سفید اما نوری است که از مجموع طول موجهای مختلف نور تشکیل شده است
من اینطور میگم آیا امواج EM سینوسی هستند؟
هر زمان که من نمایشی از یک موج EM را می بینم ، خواه بردار E یا B باشد ، همیشه به شکل سینوسی است. … در مواد (به عنوان مثال شیشه یا آب) به طور کلی شکل موج هنگام انتشار تغییر می کند. هر یک از اجزای موج سینوسی شکل سینوسی خود را حفظ می کند
معادله موج

1- نور طبیعی مثل نور خورشید
2- نور مصنوعی مثل نور لامپ
اصولاً می‌توان گفت که دلیل سیاه‌بودن و تاریک‌بودن فضا، نبودن نور در فضا است.

نظریهٔ جیمز کلارک ماکسوِل دربارهٔ انتشار الکترومغناطیس و نور بحث می‌کند در حالی‌که نظریهٔ کوانتومی ،برهم‌کنشِ نور و ماده یا جذب و نشر آن را شرح می‌دهد، از آمیختن این دو نظریه، نظریهٔ جامعی که الکترودینامیک کوانتومی نام دارد، شکل می‌گیرد.

نظریه‌های الکترومغناطیسی و کوانتومی افزون‌بر پدیده‌های مربوط به تابش بسیاری از پدیده‌های دیگر را نیز تشریح می‌کنند بنابراین می‌توان منصفانه فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز، کم‌وبیش در چارچوبِ ریاضی پاسخگوست. سرشت نور کاملاً شناخته شده‌است اما در مورد واقعیت نور هم‌چنان پرسش وجود دارد.

۱)نظریهٔ نیوتن:

نور را به صورت خطّ مستقیم تصور می‌کرد و برآن انعکاس قائل بود. با استفاده از این تئوری مسائل مربوط به آیینه‌ها، عدسی‌ها، منشور و دیگر مسائل را حل می‌کنیم.

۲)نظریهٔ هویگنس: نور را موج تصوّر می‌کرد و به خوبی می‌توانست مسائل مربوط به طول موج مثل رنگ نور را توجیه کند. با استفاده از این تئوری، مسائل مربوط به آزمایش یانگ، پدیدهٔ پر اش و از این قبیل را حل می‌کنیم.

۳)نظریهٔ پلانک: نور را تشکیل شده از بسته‌های ریزی به نام فوتون می‌دانست. با استفاده از این نظریه مسائل فیزیک مدرن را حل می‌کنیم.