Ito ba ay isang Wave o isang Particle? Pareho Ito, Sort Of.

Ang ilaw ay kumikilos bilang parehong mga maliit na butil at alon sa parehong oras, at nasilayan ng mga siyentista ang dualitas na ito sa pagkilos gamit ang isang ultrafast electron microscope. Ang kalikasan ng alon ay ipinakita sa kulot na itaas na bahagi, habang ang pag-uugali ng maliit na butil ay naipakita sa ibaba, sa mga balangkas na nagpapakita ng lakas na dami ng dami.

Ang ilaw ay kumikilos bilang parehong mga maliit na butil at alon sa parehong oras, at nasilayan ng mga siyentista ang dualitas na ito sa pagkilos gamit ang isang ultrafast electron microscope. Ang kalikasan ng alon ay ipinakita sa kulot na itaas na bahagi, habang ang pag-uugali ng maliit na butil ay naipakita sa ibaba, sa mga balangkas na nagpapakita ng lakas na dami ng dami. (Kredito sa imahe: Fabrizio Carbone / EPFL)



Paul M. Sutter ay isang astrophysicist sa Ang Ohio State University , host ng Magtanong sa isang Spaceman at Space Radio , at may-akda ng ' Ang Iyong Lugar sa Uniberso. 'Nag-ambag si Sutter ng artikulong ito sa Ang Mga Dalubhasang Boses ng Space.com: Op-Ed at Mga Pananaw .

Ito ba ay isang alon, o ito ay isang maliit na butil? Ito ay tila isang napaka-simpleng tanong. Ang mga alon ay kakaibang mga phenomena sa ating uniberso, tulad ng mga maliit na butil. At mayroon kaming iba't ibang mga hanay ng matematika upang ilarawan ang bawat isa sa kanila. Kaya, kung nais naming pumunta tungkol sa paglalarawan ng buong uniberso, ito ay lilitaw na isang napaka-madaling gamiting pamamaraan ng pag-uuri - maliban kung hindi. At wala ito sa isa sa pinakamahalagang aspeto ng ating uniberso: ang mundo ng subatomiko .





Pagdating sa mga bagay tulad ng mga photon at electron, ang sagot sa katanungang 'Nag-uugali ba sila tulad ng mga alon o mga maliit na butil?' ay oo.

Kaugnay: Ang Antimatter Ay Parehong isang Particle at isang Wave, Kinumpirma ng Bagong Eksperimento



Dalawang mundo

Sa unang tingin (at kahit na sa mas malalim na sulyap), ang mga alon at mga maliit na butil ay ibang-iba. Ang isang maliit na butil ay, bilang pinakamahusay na maaari kong ilagay ito, isang bagay. Ito ay isang maliit, solong, may hangganan na bagay. Maaari mong hawakan ang isang maliit na butil sa iyong kamay. Maaari mong itapon ang isang maliit na butil sa ibang tao at panoorin itong bounce off sa kanila. Naisalokal ito. Maaari mong ituro ang isang maliit na butil at sabihin, 'Tingnan, ang maliit na butil ay naroroon, eksakto kung saan ako tumuturo.'

Ang mga particle ay may momentum at posisyon. Ang mga particle ay lilipat sa mga tuwid na linya hanggang sa may magbago sa kanilang direksyon. Ang mga maliit na butil ay maaaring tumalbog sa iba pang mga particle, at mababago nila ang mga daanan. Mag-isip ng mga bala o mabilis na kotse. Hindi sila literal na maliit, mga subatomic na partikulo, ngunit kumikilos sila tulad ng mga maliit na butil kapag na-hit ang iba pang mga bagay .. Maraming mga pakikipag-ugnay na pisikal ay maaaring mailarawan nang simple bilang mga maliit na butil na tumatalbog sa isa't isa.



Sa kabilang banda, ang mga alon ay halos ganap na magkakaiba. Hindi sila naisalokal. Kung nais mong ipahiwatig kung nasaan ang isang alon, kailangan mong ilipat ang iyong mga kamay sa paligid ng hindi malinaw na paggalaw, na sinasabing, 'Nariyan ang lahat doon.' Hindi mo maaaring hawakan ang alon sa iyong kamay. Sa halip, ang alon ay dumadaan, sa paligid o kahit sa iyong kamay.

Ipinapakita ng animasyon na ito kung ano ang nangyayari kapag ang dalawang alon (ipinapakita sa berde at asul) ay makagambala.

Ipinapakita ng animasyon na ito kung ano ang nangyayari kapag ang dalawang alon (ipinapakita sa berde at asul) ay makagambala.(Kredito sa imahe: Wolfgang Christian / Francisco Esquembre / Francisco Esquembre, CC BY-SA 4.0)

Ang mga alon ay mga oscillation, nangangahulugang kumawagkot sila. Naghahatid sila ng enerhiya mula sa isang lugar patungo sa iba pa. Ang mga alon ay hindi talaga tumatalbog, ngunit sa halip ay makagambala sa isa't isa. Minsan, kapag ang mga alon ay nagsasama-sama ng tama, ang tuktok ay nakakatugon sa mga tuktok, at nakakakuha ka ng mga doble na alon. Tinatawag itong 'nakabubuo na pagkagambala.' Ngunit kung minsan, kinansela ng mga alon ang bawat isa, at wala ka talagang nakukuha - isang pakikipag-ugnay na kilala bilang 'mapanirang pagkagambala.' Ang mga alon ay maaaring lumiko sa mga sulok, at kapag dumaan sila sa makitid na bakanteng, maaari silang mag-fan out, o mag-diffact. Maraming uri ng alon sa ating uniberso, tulad ng alon ng karagatan at kumakaway sa a Slinky.

Ang parehong mga alon at maliit na butil ay inilarawan ng napaka, magkakaibang mga hanay ng mga equation sa matematika. Kaya, kung nais mong ilarawan ang isang bagay na pang-agham, unang kailangan mong magpasya kung ito ay isang alon o isang maliit na butil; pagkatapos ay maaari mong hilahin ang tamang mga tool sa matematika upang makagawa ng mga hula tungkol sa kung paano ito kikilos at kumilos. At sa loob ng ilang daang taon, ang linyang ito ng pag-iisip ay isang mahusay na diskarte sa paglutas ng lahat ng mga problema sa pisika sa mundo.

Ang ilaw ay isang alon ... at isang maliit na butil

Ang mga problema sa pamamaraang ito ay nagsimula sa ilaw mismo. Noong unang bahagi ng 1800s, ang siyentipikong Ingles na si Thomas Young ay naglaro ng ilang mga laro na may ilaw sa pamamagitan ng pagniningning ng ilang mga poste sa pamamagitan ng dalawang makitid na bukana sa isang screen sa likuran nila. Ang nahanap niya ay isang klasikong pattern ng pagkagambala na may mga guhitan ng iba't ibang intensity sa screen. Ito mismo ang gagawin ng mga alon ng tubig kapag dumadaan sa dalawang makitid na kanal. Ang ilan sa mga light alon ay magkakasama, at ang ilan sa mga alon ay magkansela, na nag-iiwan ng isang guhit na pattern sa back screen. Ito ay medyo matibay na katibayan na kumikilos tulad ng isang alon , sapagkat ito mismo ang ginagawa ng mga alon.

Ang ideyang ito ay napalakas ng ilang dekada na ang lumipas nang malaman ng pisiko ng Scottish na si James Clerk Maxwell na ang kuryente at magnetismo ay talagang dalawang panig ng parehong electromagnetic coin at, sa proseso, napagtanto na ang ilaw ay mga alon ng elektrisidad at magnetismo . Nagbigay iyon ng isang konklusyon na larawan tungkol sa kung ano ang ginagawa sa pagwawaksi pagdating sa ilaw: ang kuryente at magnetismo nito. Ang ilaw ay isang alon. I-book ito, tapos na.

Pagkatapos, noong huling bahagi ng 1800s, itinapon ng German na teoretikal na pisisista na si Max Planck ang isang wrench ng unggoy sa lahat nang nag-aral siya radiation ng itim . Upang ipaliwanag ang kanyang mga naobserbahan, iminungkahi niya na ang ilaw ay maaaring mailabas lamang sa mga discrete maliit na chunks. Makalipas ang ilang taon, itinapon ni Albert Einstein ang kanyang timbang sa bagay sa pamamagitan ng pag-aaral ng epekto ng photoelectric , at iminungkahi na hindi lamang ang ilaw ay inilalabas sa maliit na mga piraso, ngunit ang ilaw mismo ay gawa sa maliit na mga packet ng enerhiya na tinatawag na photon. Sa madaling salita, ang ilaw ay kumikilos bilang isang maliit na butil sa mga eksperimentong ito.

Kaya, ang iba't ibang mga uri ng mga eksperimento sa pisika ay nagsisiwalat ng iba't ibang mga uri ng mga katangian ng ilaw. Minsan, ang ilaw ay kumikilos tulad ng isang alon, at kung minsan, ang ilaw ay kumikilos na parang isang maliit na butil. Alin ito? Ang sagot ay pareho ito. At lumalala pa ito.

Ang bagay ay isang alon ... at isang maliit na butil

Noong 1920s, isang batang pisiko na nagngangalang Louis de Broglie ay gumawa ng isang radikal na mungkahi: Simula ilaw may lakas, momentum at isang haba ng daluyong, at bagay may lakas at momentum, marahil ang bagay ay may haba ng haba din ng haba. Iyon ay isang bagay na madaling sabihin ngunit mahirap ibalot ang iyong ulo. Ano ang ibig sabihin para sa bagay na magkaroon ng isang haba ng daluyong? O si Briglie ay kakila-kilabot lamang na nagkamali?

Napako pala ito ni de Broglie. Sa unang pamumula, maaari kang magtaka kung paano ang mga electron ay maaaring maging anuman kundi mga maliit na butil, dahil maaari mong literal na hawakan ang mga ito sa iyong kamay, at maraming mga nagba-bounce ang ginagawa nila. Kapag nag-shoot ka ng mga electron sa pamamagitan ng dalawang slits, nagtatapos ka sa eksaktong parehong pattern ng pagkagambala na ginagawa mo sa mga ilaw: alternating patayong guhitan ng higit pa at mas kaunting mga electron.

Ang isang tanyag na eksperimento sa pisika noong 1800, ang eksperimentong doble-gilis, ay nagsiwalat na ang ilaw ay kumikilos tulad ng parehong mga maliit na butil at alon.

Ang isang tanyag na eksperimento sa pisika noong 1800, ang eksperimentong doble-gilis, ay nagsiwalat na ang ilaw ay kumikilos tulad ng parehong mga maliit na butil at alon.(Kredito sa imahe: Jordgette / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)

Ano ang nangyayari? Ang mga electron ay kumikilos tulad ng mga alon kapag wala silang hitsura tulad ng alon. Ano ang ginagawa sa pagkaway?

Ang sagot ay dumarating mekanika ng kabuuan , at ang paglalarawan sa sagot na iyon ay nagsasangkot ng pagbibigay kahulugan ng ilan sa malalim na matematika. Ang pinakakaraniwang larawan, tinawag ang interpretasyon ng Copenhagen , sinabi na ang alon na naiugnay namin sa bagay ay isang alon ng posibilidad na kumakatawan sa lahat ng mga posibleng lugar kung saan ang isang maliit na butil ay maaaring sa susunod na hanapin natin ito. Ang saklaw ng posibilidad na ito ay inilarawan ng isang equation na may parehong mga buto sa matematika tulad ng anumang iba pang mga equation ng alon. Sa larawang ito, iyon ang ginagawa sa pagwawagayway: ang mga posibleng lugar na maaaring maging maliit na butil.

Kaya, habang dumaan ang mga electron sa mga slits sa eksperimento ni de Broglie, hindi nila eksaktong mapagpasya kung saan nila nais na makarating. Ang mga alon ng kawalang-katiyakan ay nag-crash sa bawat isa at makagambala, pagsasama at pagkansela sa bawat isa tulad ng anumang iba pang mga alon. Pagkatapos, kapag ang isang alon ng electron ay tumama sa back screen, ang maliit na butil sa wakas ay kailangang magpasya kung saan lalapag. Dahan-dahan, electron ng electron, bumubuo ang pattern ng alon.

Tulad ng ilaw, minsan ang bagay ay kumikilos tulad ng isang maliit na butil, at kung minsan, gumaganap ito tulad ng isang alon. Kaya, ang ilaw ba at bagay ay gawa sa mga alon o maliit na butil? Ang sagot ay pareho, uri ng.

Matuto nang higit pa sa pamamagitan ng pakikinig sa episode 'Ang lahat ba ay isang alon o isang maliit na butil, at bakit masakit ang aking ulo?' sa podcast ng Ask A Spaceman, magagamit sa iTunes at sa web sa askaspaceman.com . Salamat kay Rowan H., Ethan L., Broc P., Madhab D., Grisham J., Jeff G., Cortney H., Joshua Z., @shrenicshah, Mike D., Lynn R., AC, Rick S. , Robert P., at @ShaunFosmark para sa mga katanungan na humantong sa piraso na ito! Magtanong ng iyong sariling katanungan sa Twitter gamit ang #AskASpaceman o sa pamamagitan ng pagsunod kay Paul @PaulMattSutter at facebook.com/PaulMattSutter .

Sundan kami sa Twitter @Spacedotcom at sa Facebook .

All About Space banner

Kailangan mo ng mas maraming puwang? Maaari kang makakuha ng 5 mga isyu ng aming kasosyo na 'Lahat Tungkol sa Space' Magazine para sa $ 5 para sa pinakabagong kamangha-manghang balita mula sa huling hangganan! (Credit ng larawan: Lahat ng About magazine sa Space)