Wellen und Teilchen: Eine unergründliche Dualität

Beschreibung des Bildes: In diesem Bild von etwa 5 Millionstel Millimetern (5×10⁻⁹m) Wir können 48 Eisenatome zählen, die sich wie Wellen verhalten. Dabei handelt es sich nicht um Atome, sondern um eine Bilddarstellung im sichtbaren Bereich, damit das Gehirn sie interpretieren kann. Dieses Bild wurde durch die Messung sehr kleiner elektrischer Ströme erstellt, die durch die Spitze eines Tunnelmikroskops fließen, das sich über den Atomen bewegt. Bildquelle: IBM Almaden Visualization Lab

Welle und Korpuskel: Das Rätsel, das die Physik veränderte

DERWelt der TeilchenWie das Elektron, das Photon, das Proton, das Atom ist es für unsere Wahrnehmungsorgane, einschließlich des Gehirns, nicht zugänglich. Kein Bild, keine Interpretation kann die Realität der Quantenwelt darstellen, selbst die Worte unserer Sprache sind annähernd geeignet, Quantenphänomene zu beschreiben.

Alles, was über diese Realität gesagt und gezeigt werden kann, ist falsch, aber ich werde trotzdem versuchen, Ihnen eine Vorstellung von diesem grundlegenden Konzept der Quantenphysik zu geben, das „Welle-Teilchen-Dualität„Obwohl dieser Begriff inzwischen veraltet ist, weil wir eigentlich über Felder sprechen sollten.

In der Quantenmechanik hören wir oft, dass ein Teilchen sowohl ein Korpuskel als auch eine Welle ist. In Wirklichkeit handelt es sich weder um ein Korpuskel noch um eine Welle, sondern um einÜberlagerung aller Zuständedes Teilchens.

Die technische Definition besagt Folgendes: Ein Quantenteilchen ist eine grundlegende Einheit, die eine Quantifizierung von Energie und Information darstellt, die in der Raumzeit lokalisiert ist, durch die Prinzipien der Superposition, der Verschränkung und des Indeterminismus bestimmt wird und mathematisch durch a beschrieben wirdStatusfunktion(Zustandsvektor) in aHilbertraum.

Mit anderen Worten: Ein Quantenteilchen, das weder ein Korpuskel noch eine Welle ist, kann als quantisierte Anregung eines Grundfeldes definiert werden, das durch die Quantenmechanik und Quantenfeldtheorien beschrieben wird.

Moderne Beschreibung des Experiments namens Youngs Ausfallschritte.

Beschreibung des Videos: Moderne Interpretation der Welle-Teilchen-Dualität des OrtesAlles ist Quanten.

• Wenn man Teilchen (Feststoffe) auf eine Wand mit zwei Schlitzen schickt, passiert jedes Teilchen den einen oder anderen Schlitz, prallt in alle Richtungen ab und Auftreffpunkte markieren den Bildschirm fast überall hinter den Schlitzen.
• Wenn wir eine Welle an dieselbe Wand senden, passiert die Welle die beiden Schlitze und der Durchgang durch die Schlitze erzeugt zwei kleine Wellen, die sich überlagern. An bestimmten Stellen addieren sie sich und an anderen heben sie sich gegenseitig auf. Auf dem Bildschirm erscheinen Interferenzstreifen.
• Wenn wir ein Quantenobjekt senden, passiert es die beiden Schlitze und interferiert wie eine Welle. Wenn es jedoch auf den Bildschirm trifft, reduziert es sich plötzlich auf einen Punkt, an dem sich die beiden kleinen Wellen addieren. Nach einer Vielzahl von Tests erscheinen beide Einschläge wie bei Korpuskeln und Interferenzstreifen wie bei Wellen.
• Wenn wir jedoch einen Beobachter hinzufügen, der weiß, durch welchen Spalt das Teilchen geht, kollabiert die Welle nun an den Schlitzen zu einem Korpuskel und durchquert jeweils nur einen Spalt. Wir messen dann Auftreffpunkte auf dem Bildschirm und keine Interferenzen.

Hinweis: :
Wie ist diese Erfahrung zu interpretieren? Wenn wir den Zustand eines Quantensystems bestimmen wollen, müssen wir es beobachten, aber diese Beobachtung hat zur Folge, dass der betreffende Zustand zerstört wird.

Wenn Materie tanzt: Die Welle-Korpuskel-Dualität entschlüsselt

Der Maßstab der Quantenphysik ist so klein, dass es unmöglich ist, ein Quantenobjekt so zu sehen, wie man eine Welle oder einen Ball am Strand sieht. Die Größe eines Wasserstoffatoms beträgt 53 pm (53 x 10).^-12Meter) können wir 10 Millionen Atome auf einem Millimeter ausrichten.

Youngs Experiment zeigt uns, dass ein Quantenobjekt seine Natur verändert, wenn wir es messen. Manchmal ist es ein Korpuskel, manchmal ist es eine Welle und außerdem kommt es auf das Messgerät oder den Beobachter an.

Was uns das Young-Spaltexperiment auch sagt, ist, dass das Quantenobjekt, wenn es frei von jeglicher Umgebung ist, als Welle erscheint. Wenn aber die Umgebung (Bildschirm, Wand, Beobachter oder auch Luftmoleküle) ihn zur Interaktion zwingt, wird das Objekt bzw. seine Energie plötzlich auf einen Punkt reduziert und nimmt das Aussehen eines Korpuskels an.

Auf dem Bildschirm sehen wir, dass die Wellenfront nirgends kleiner wird, sondern dort, wo die Welle intensiver ist, also auf den Wellenbergen oder -tälern. Mit anderen Worten: Die Wahrscheinlichkeit einer Reduzierung ist am oberen und unteren Ende der Welle größer als an den Hängen. Dort, wo die Wellen gegenphasig sind, ist sie sogar Null.

Wenn wir die Teilchen einzeln senden, ist das Überraschendste, dass wir bei einer großen Anzahl von Messungen am Ende trotz der Reduzierung des Wellenpakets Interferenzstreifen erhalten.

Eine Erklärung wurde 1927 von vorgeschlagenMax Born(1882 - 1970). Das Teilchen ist einWahrscheinlichkeitswelle. Diese schreckliche Definition zeigt die Schwierigkeit, auf die wir stoßen, wenn wir über Quantenobjekte sprechen wollen.

Einfacher ausgedrückt ist es die Amplitude einer Welle an einer bestimmten Position, die die Wahrscheinlichkeit vorhersagt, dass sich das Teilchen an dieser Position befindet. Eine hohe Amplitude bedeutet nicht, dass sich das Teilchen dort befindet, aber es ist dort, wo wir es am wahrscheinlichsten finden (nachdem das Wellenpaket reduziert wurde).

Zusammenfassend

In der Quantenmechanik können wir nicht wissen, ob sich das Teilchen an einem bestimmten Ort im Raum befindet, sondern wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass es dort ist. Es wird nur dann eine Position haben, wenn es mit der Umgebung interagieren muss, bevor es keine Position mehr hat, es überall ist und von Natur aus wellenförmig ist. Genau wie ein Photon, das von einem Stern emittiert wird. Während es sich seit Millionen von Jahren frei bewegt hat, stirbt es als Welle ab, sobald es Ihre Netzhaut erreicht, mit der es interagieren wird.

Die Gleichungen der Quantenmechanik erweisen sich als überraschend präzise, ​​wenn wir akzeptieren, dass es bei ihnen um Wahrscheinlichkeiten geht. Die gesamte Materie, aus der das Universum besteht (Sterne, Planeten, Bäume, Sie usw.), besteht aus Atomen und subatomaren Teilchen, die durch Wahrscheinlichkeit und nicht durch Gewissheit bestimmt werden.