Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовини

Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовини

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.17. Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовини

На початку XX ст. фізика більш-менш опанувала два своєрідні види об’єктивної реальності: дискретну атомістичну речовину і неперервне електромагнітне поле. Ці протилежні характеристики дискретності й неперервності виступили у фізиці того часу незалежними.

Із виникненням квантових уявлень починається діалектичний синтез протилежностей перервного і неперервного.

У квантовій механіці

важливу методологічну роль відіграють категорії перервності й неперервності, оскільки все більшого значення для теорії і практики набуває вивчення хвильових і корпускулярних властивостей фізичних об’єктів. Відомо, що уявлення про частинки і хвилі в класичній фізиці грунтувалися на різкому протиставленні частинок і хвиль, на цілковитому взаємовиключенні їхніх властивостей. У багатьох відношеннях властивості хвиль і частинок розглядались як прямо протилежні.

Частинки характеризувались такими властивостями, як маса, просторова локалізація (визначеність об’єкта), непроникність. Потім було встановлено,

що деякі частинки можуть бути носіями електричного заряду. Рух частинок у певній системі відліку характеризувався певними траєкторіями. Якщо зовнішніх сил немає, то частинки мають сталі імпульс і енергію. Взаємодія частинок розглядалась як різні види зіткнень (пружні й непружні, центральні й нецентральні), за яких відбувається обмін імпульсами та енергіями. Кожна частинка речовини переносить енергію та імпульс, а також масу з одного місця в інше.

Хвилі в класичній фізиці розглядались як потік збурень середовища, під якими розуміли деформації його поверхні (наприклад, морські хвилі), його стиснення і розрідження (звукові хвилі), зміну його електромагнітного стану (електромагнітні хвилі). Хвилі характеризуються періодичністю значень певних параметрів збурення середовища в просторі й часі, тобто повторюваністю їх, наприклад, максимальних збурень середовища (амплітуда) через певні проміжки часу (період коливань) і на певних відстанях у просторі (довжина хвилі). Хвилі, що поширюються в просторі, не переносять речовину, але переносять енергію та імпульс. Хвилі не мають певних траєкторій, хоч і поширюються в просторі в певних напрямах. Якщо немає перешкоди для поширення хвилі, то вона заповнює весь простір і, отже, для неї характерна відсутність просторової локалізації. Основними параметрами хвилі є: довжина, частота, амплітуда і фаза. Найважливіша властивість хвиль – їхня здатність огинати перешкоди і за відповідних умов накладатися одна на одну (інтерферувати).

Отже, в класичній фізиці хвилі відрізняються від частинок: хвилі мають ряд істотних ознак неперервності, а частинки, навпаки, дискретності. Проте класична фізика накопичила великий матеріал для встановлення зв’язку між перервністю й неперервністю в явищах природи. Хоча встановлення зв’язку між тими або іншими протилежними сторонами ще не означає встановлення єдності. Поняття єдності включає в себе не тільки наявність взаємозв’язку, а й наявність взаємопереходів, взаємопроникнення та ототожнення протилежностей. Встановлення єдності перервності й неперервності на матеріалі єдності частинок і хвиль стало надбанням нової квантової фізики. Поняття частинки і хвилі – це загалом поняття, що характеризують граничні стани об’єктів природи.

Важливе значення в розкритті єдності хвиль і частинок, а отже, неперервності й дискретності, мала теорія де Бройля, яка встановила всезагальність відповідності імпульсно-енергетичних параметрів частинок таким специфічним параметрам коливань і хвиль, як довжина хвилі і частота коливань. За цією теорією енергія і частота, імпульс і довжина хвилі є пропорційними не лише у хвильових процесах, а й у процесах руху частинок. Це означає, що частинки можуть мати специфічні для хвилі властивості (дифракцію, інтерференцію, поляризацію).

Л. де Бройль виконав з речовиною “операцію”, протилежну тій, яку А. Ейнштейн виконав зі світловими хвилями. Як А. Ейнштейн порівняв неперервну хвилю з дискретним фотоном, так де Бройль порівняв дискретну частинку з неперервною хвилею. Він своєрідно поширив на частинки речовини співвідношення корпускулярних і хвильових характеристик, які були відкриті для фотонів.

Загальний хід міркувань де Бройля можна уявити приблизно так. Ще в 20-х роках XIX ст. У. Гамільтон установив так звану оптико-механічну аналогію. Виявилось, що основні закони геометричної оптики й класичної механіки можна описати математично в однаковій формі, порівнявши відповідно рух частинки в деякому силовому полі і рух світлового променя в оптично неоднорідному середовищі. На той час у науці панували геометрична оптика і ньютонівська механіка і йшлося про їхню аналогію. Пізніше було розвинено хвильову оптику, окремою складовою якої є геометрична оптика. Де Бройль вирішив розширити оптико-механічну аналогію У. Гамільтона і поставити у відповідність хвильовій оптиці деяку хвильову механіку, яка повинна мати дві характерні риси: 1) бути до хвильової оптики у відношенні, аналогічному відношенню класичної механіки і геометричної оптики; 2) включати в себе класичну механіку як граничний випадок, так само як хвильова оптика включає геометричну. Цю нову механіку де Бройль не випадково назвав хвильовою, бо її основна риса й полягала в наданні частинкам речовини хвильових властивостей, подібно до того як це робиться для фотонів.

Він дістав співвідношення (16.1), яке будь-якій частинці з масою m ставить у відповідність певну довжину хвилі λ. Будь-який матеріальний об’єкт характеризується наявністю як корпускулярних (енергія Е і імпульс р), так і хвильових (частота ν і довжина хвилі λ) властивостей. Йдеться про внутрішній органічний зв’язок корпускулярних і хвильових властивостей, що відображається в основних співвідношеннях Е = hν і р = . Ці співвідношення унеможливлюють зберігання лише одного з розглянутих аспектів – корпускулярного чи хвильового, бо кожний з них вводиться через протилежний собі за допомогою елементарного кванта дії, що є константою зв’язку цих двох аспектів, ключем, що дає змогу переходити від одного аспекту до іншого.

Гіпотеза де Бройля про хвильові властивості мікрочастинок дістала відразу прямі експериментальні підтвердження в дослідах з дифракції електронів. Без урахування хвильових властивостей мікрочастинок неможливо було пояснити природну і штучну радіоактивності. Вилітання частинок із ядра атома з енергією, меншою від висоти потенціального бар’єра, можна пояснити лише просочуванням, проникненням їх крізь бар’єр, тобто тунельним ефектом. А це може бути тільки тоді, коли мікрочастинці властиві як дискретні, так і хвильові властивості.

Розвиваючи ідеї Л. де Бройля, Е. Шредінгер завершив створення хвильової механіки. Він відкрив основний закон руху мікрооб’єктів – хвильове рівняння (16.11). Це рівняння описує зміну з часом особливої величини – так званої хвильової функції, або ψ-функції, що характеризує стан електрона або будь-якої іншої частинки. У сфері своєї компетенції (руху мікрооб’єктів зі швидкостями, значно меншими від швидкості світла) квантова механіка, точніше нерелятивістська механіка, дає повне описання фізичних явищ.

Враховуючи пропорційність між енергією і масою, можна стверджувати, що частинка з малою масою є хвилею, а не частинкою. Слушне обернене твердження: чим більша маса частинки і чим швидше вона рухається, тим яскравіше виявляються її корпускулярні властивості. Для частинок, що мають лише масу руху, їхнє існування як частинок можливе лише при русі з граничною швидкістю передавання взаємодії, тобто зі швидкістю світла у вакуумі. Фотони-кванти електромагнітного поля існують лише за такої швидкості.

Отже, прояв у матеріальних об’єктів корпускулярних або хвильових властивостей залежить від таких параметрів руху. Оскільки ці параметри змінюються, то вони є відносними щодо різних взаємодій, а отже, відносними є і їхні корпускулярні й хвильові властивості.

В одних взаємодіях об’єкт поводить себе як частинка, в інших – як хвиля. В граничних екстремальних випадках, а саме при мінімальних значеннях енергії, частинка поводить себе як хвиля, а при максимальних значеннях енергії – як частинка. Отже, в процесі взаємодії, під час руху об’єктів природи вони поводять себе або як частинки, або як хвилі відносно своїх станів взаємодії і руху. Звідси напрошується висновок, що поняття про частинки і хвилі можуть бути застосовані до одного і того самого об’єкта, що ці поняття і тотожні, і водночас відмінні, а отже, тотожні і водночас відмінні більш загальні поняття перервності й неперервності, що покладені в основу понять частинки і хвилі.

Оперуючи у квантовій механіці поняттями частинки і хвилі, дискретності й неперервності, постійно переходимо від відмінності їх до тотожності і навпаки. Ці переходи від відмінності їх до тотожності і від тотожності до їхньої відмінності становлять суть єдності понять про хвилю і частинку, дискретність і неперервність, що відображають один бік діалектики самої природи. Єдність тотожності й відмінності, притаманна перервності і неперервності, виявляється також через єдність хвильових і корпускулярних властивостей об’єктів природи, а один із аспектів в єдності цих властивостей – їхня аналогія одна одній, відповідність та взаємозамінність.

Отже, немає жодних підстав для поділу об’єктів природи на частинки і хвилі. Йдеться лише про те, що об’єкти природи мають взаємопов’язані типи властивостей: корпускулярні і хвильові. Оскільки в тому або іншому об’єкті природи на перший план виступає то один, то інший тип його властивостей, то образи частинки і хвилі мають об’єктивний зміст. Поняття хвилі і частинки не перебувають у відношенні взаємного виключення, обидва вони необхідні для описання мікрооб’єктів у різних взаємозв’язках і взаємодіях. В. 0. Фок справедливо зазначав, що за наявності у мікрооб’єкта корпускулярних властивостей його хвильові властивості існують як потенціальні можливості, які за зміни умов існування мікрооб’єкта можуть проявитися. Єдність перервності і неперервності в існуванні мікрооб’єктів аж ніяк не порушується, а виявляється через єдність можливості і дійсності. Те, що в дійсності є перервним, в можливості – неперервне і навпаки.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм є однією з форм виявлення діалектики перервності – неперервності, але в сучасній фізиці (квантовій фізиці, теорії елементарних частинок) він найчастіше виступає у формі метафізичного відособлення або підсумовування двох властивостей: корпускулярних і хвильових.

Очевидно, майбутній розвиток фізики приведе до більш адекватного відображення за допомогою її теорій діалектики перервності й неперервності.

Матеріальні об’єкти, процеси і явища характеризуються діалектичною єдністю перервності й неперервності. Неперервність, цілісність об’єкта, процесу є фундаментом наступних утворень нової неперервності через систему взаємодіючих частин (перервностей) цієї неперервності.