Paul M. Sutter è un astrofisico presso l’Ohio State University, ospite di Ask a Spaceman e Space Radio, e autore di ” Your Place in the Universe.”Sutter ha contribuito a questo articolo Space.com le voci degli esperti: Op-Ed& Insights.
È un’onda o è una particella? Questa sembra una domanda molto semplice. Le onde sono fenomeni molto distinti nel nostro universo, così come le particelle., E abbiamo diversi insiemi di matematica per descrivere ciascuno di essi. Quindi, se vogliamo descrivere l’intero universo, questo sembra essere uno schema di classificazione molto utile — tranne quando non lo è. E non lo è in uno degli aspetti più importanti del nostro universo: il mondo subatomico.
Quando si tratta di cose come fotoni ed elettroni, la risposta alla domanda “Si comportano come onde o particelle?”è yes sì.,
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Due mondi
A prima vista (e anche a sguardi più profondi), le onde e le particelle sono molto diverse. Una particella è, per meglio dire, una cosa. È un piccolo, singolo, oggetto finito. Puoi tenere una particella in mano. Puoi lanciare una particella a qualcun altro e guardarla rimbalzare da loro. E ‘ localizzato. Puoi indicare una particella e dire: “Guarda, la particella è proprio lì, esattamente dove sto puntando.”
Le particelle hanno quantità di moto e posizioni., Le particelle si muoveranno in linee rette fino a quando qualcosa cambia la loro direzione. Le particelle possono rimbalzare su altre particelle e possono cambiare traiettorie. Pensa ai proiettili o alle auto in corsa. Non sono letteralmente piccole particelle subatomiche, ma agiscono come particelle quando colpiscono altre cose.. Molte interazioni fisiche possono essere descritte semplicemente come particelle che rimbalzano l’una dall’altra.
D’altra parte, le onde sono quasi completamente diverse. Non sono localizzati., Se vuoi indicare dove si trova un’onda, devi muovere le mani vagamente gesticolando, dicendo: “È tutto lì.”Non puoi tenere l’onda in mano. Invece, l’onda passa sopra, intorno o anche attraverso la mano.
Le onde sono oscillazioni, il che significa che si muovono., Trasportano energia da un luogo all’altro. Le onde non rimbalzano davvero, ma interferiscono l’una con l’altra. A volte, quando le onde si uniscono giusto, crest incontrano creste, e si ottiene doppie onde. Questo è chiamato ” interferenza costruttiva.”Ma a volte, le onde si annullano a vicenda, e non si ottiene nulla-un’interazione nota come” interferenza distruttiva.”Le onde possono girare gli angoli, e quando passano attraverso aperture strette, possono estendersi o diffrarsi. Ci sono molti tipi di onde nel nostro universo, come le onde dell’oceano e le onde su un Slinky.,
Sia le onde che le particelle sono descritte da insiemi molto, molto diversi di equazioni matematiche. Quindi, se vuoi descrivere qualcosa scientificamente, prima devi decidere se è un’onda o una particella; quindi puoi estrarre gli strumenti matematici corretti per fare previsioni su come si comporterà e agirà. E per un paio di centinaia di anni, questa linea di pensiero è stato un ottimo approccio per risolvere tutti i problemi di fisica nel mondo.
La luce è un’onda … e una particella
I problemi con questo approccio sono iniziati con la luce stessa., Nei primi anni del 1800, lo scienziato inglese Thomas Young ha giocato alcuni giochi con la luce facendo brillare alcuni raggi attraverso due strette aperture su uno schermo dietro di loro. Quello che ha trovato è stato un classico modello di interferenza con strisce di varia intensità sullo schermo. Questo è esattamente ciò che le onde d’acqua farebbero quando passano attraverso due canali stretti. Alcune delle onde luminose si sommerebbero e alcune delle onde si annullerebbero, lasciando un motivo a strisce sullo schermo posteriore. Questa è una prova abbastanza solida che la luce agisce come un’onda, perché questo è esattamente ciò che fanno le onde.,
Questa idea è stata rafforzata alcuni decenni dopo, quando il fisico scozzese James Clerk Maxwell ha capito che l’elettricità e il magnetismo erano in realtà due facce della stessa moneta elettromagnetica e, nel processo, si è reso conto che la luce è onde di elettricità e magnetismo. Ciò ha dato un’immagine conclusiva di ciò che sta facendo l’ondeggiamento quando si tratta di luce: la sua elettricità e il magnetismo. La luce è un’onda. Prenotalo, fatto.
Poi, alla fine del 1800, il fisico teorico tedesco Max Planck ha gettato una chiave inglese in tutto quando ha studiato la radiazione del corpo nero., Per spiegare le sue osservazioni, ha proposto che la luce può essere emessa solo in piccoli pezzi discreti. Alcuni anni dopo, Albert Einstein gettò il suo peso nella materia studiando l’effetto fotoelettrico e propose che non solo la luce viene emessa in piccoli pezzi, ma la luce stessa è fatta di piccoli pacchetti di energia chiamati fotoni. In altre parole, la luce si comportava come una particella in questi esperimenti.
Quindi, diversi tipi di esperimenti di fisica stavano rivelando diversi tipi di proprietà della luce. A volte, la luce agiva come un’onda, e talvolta, la luce agiva come una particella., Qual era? La risposta è che sono entrambi. E diventa ancora peggio.
La materia è un’onda una particella
Nel 1920, un giovane fisico di nome Louis de Broglie fece un suggerimento radicale: Poiché la luce ha energia, quantità di moto e lunghezza d’onda, e la materia ha energia e quantità di moto, forse anche la materia ha una lunghezza d’onda. Questo è qualcosa che è facile da dire, ma difficile da avvolgere la testa intorno. Che cosa significa per la materia avere una lunghezza d’onda? O de Broglie si sbagliava terribilmente?
Si scopre che de Broglie l’ha inchiodato., A prima vista, potresti chiederti come gli elettroni potrebbero essere tutt’altro che particelle, perché puoi letteralmente tenerli in mano, e fanno un sacco di rimbalzi. Quando spari elettroni attraverso due fessure, finisci con lo stesso identico schema di interferenza che fai con le luci: alternando strisce verticali di sempre meno elettroni.
Cosa sta succedendo? Gli elettroni agiscono come onde quando non assomigliano a onde. Cosa sta facendo il saluto?
La risposta arriva attraverso la meccanica quantistica, e descrivere quella risposta implica interpretare alcune delle matematiche profonde. L’immagine più comune, chiamata interpretazione di Copenhagen, dice che l’onda che associamo alla materia è un’onda di probabilità che rappresenta tutti i possibili luoghi in cui una particella potrebbe essere la prossima volta che andiamo a cercarla., Questo intervallo di probabilità è descritto da un’equazione che ha le stesse ossa matematiche di quella di qualsiasi altra equazione d’onda. In questa immagine, questo è ciò che sta facendo l’ondeggiamento: i possibili luoghi che la particella potrebbe essere.
Quindi, mentre gli elettroni passano attraverso le fessure nell’esperimento di de Broglie, non possono decidere esattamente dove vogliono essere. Quelle onde di incertezza si schiantano l’una contro l’altra e interferiscono, fondendosi e annullandosi a vicenda proprio come qualsiasi altra onda. Quindi, quando l’onda di un elettrone colpisce lo schermo posteriore, la particella deve finalmente decidere dove atterrare., Lentamente, elettrone per elettrone, il modello d’onda si accumula.
Proprio come la luce, a volte la materia agisce come una particella e, a volte, agisce come un’onda. Quindi, la luce e la materia sono fatte di onde o particelle? La risposta è entrambe, una specie di.
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