Korpuskulaar-laineline dualism

Korpuskulaar-laineline dualism ehk laine-osakese dualism puhul on kvantmehaanikas kontseptsioon, mis ütleb, et iga osake või kvant omab nii laine kui ka osakese omadusi. See sümboliseerib klassikaliste füüsika mõistete „osake“ ja „laine“ suutmatust kvantmehaaniliste objektide olemust tõeselt kirjeldada. Seda on öelnud ka Albert Einstein: „Näib, et me peame mõnikord kasutama üht teooriat ja teinekord teist, samas kui vahetevahel ei sobi kumbki. Seega seisame uut tüüpi probleemi ees. Meil on kaks vastandlikku pilti reaalsusest, eraldi võttes ei seleta neist kumbki valguse olemust täielikult, koos aga küll.“Albert Einstein, Leopold Infeld (1938). The Evolution of Physics: The Growth of Ideas from Early Concepts to Relativity and Quanta. Cambridge University Press. Bibcode:1938epgi.book.....E. Quoted in Harrison, David (2002). "Complementarity and the Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics". UPSCALE. Dept. of Physics, U. of Toronto. Retrieved 2008-06-21.

Max Plancki, Albert Einsteini, Louis de Broglie, Arthur Comptoni, Niels Bohri, Erwin Schrödingeri ja paljude teiste tööde kaudu on praegune teaduslik teadmine, et kõigil osakestel on olemas laineline omadus ja ka vastupidi.Walter Greiner (2001). Quantum Mechanics: An Introduction. Springer. ISBN 978-3-540-67458-0. Selle fenomeni esinemine on kinnitatud lisaks elementaarosakestele ka liitosakeste, näiteks aatomite ja isegi molekulide puhul. Makroskoopiliste osakeste puhul ei ole nende väga lühikeste lainepikkuste tõttu tavaliselt võimalik laineomadusi tuvastada.R. Eisberg & R. Resnick (1985). Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (2nd ed.). John Wiley & Sons. pp. 59–60. ISBN 978-0-471-87373-0.

Kuigi laine-osakese dualismi kontseptsioon on füüsikas kasutusele võetud, ei ole selle tähendus ja tõlgendus piisavalt selge, vaadates kasvõi kvantmehaanika tõlgenduste paljusust.

Bohr pidas dualismiparadoksi looduse fundamentaalseks või metafüüsiliseks faktiks. Teatud tüüpi kvantobjekt võib erinevates olukordades käituda mõnikord lainena, mõnikord osakesena. Hoolimata justkui vastandlikest omadustest need siiski täiendavad teineteist ja kehtivad samaaegselt.Kumar, Manjit (2011). Quantum: Einstein, Bohr, and the Great Debate about the Nature of Reality (Reprint ed.). W. W. Norton & Company. pp. 242, 375–376. ISBN 978-0-393-33988-8.

 Ajalugu 
 Valguse kui klassikalise osakese ja laine teooria 
Demokritos (5. sajand eKr) väitis, et kõik asjad universumis, sealhulgas ka valgus, koosnevad jagamatutest alamkomponentidest.Berryman, Sylvia (2016), "Democritus", in Zalta, Edward N. (ed.), The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Winter 2016 ed.), Metaphysics Research Lab, Stanford University, retrieved 2022-07-17. Eukleides (4.-3. sajand eKr) uuris oma töödes valguse levimist, kasutades peegeldusi ning kirjeldades valguse lühima trajektoori põhimõtet. Plutarchos (1.-2. sajand pKr) kirjeldas sfäärilistel peeglitel esinevaid peegeldusi, arutledes selle üle, millal tekib suurem või väiksem pilt, millal on tegemist reaalse, millal ettekujutatava pildiga, käsitledes sealhulgas ka kujutiste kiraalsust. 11. sajandi alguses kirjutas araabia teadlane Ibn al-Haytham esimese põhjaliku optikaraamatu, milles kirjeldatakse kiirgusallikast silma liikuvate valguskiirte kaudu peegeldumist, murdumist ja nõelasilmaläätse (pinhole lens) toimimist. Ta väitis, et need kiired koosnevad valgusosakestest.Al-Khalili, J. In retrospect: Book of Optics. Nature 518, 164–165 (2015). https://doi.org/10.1038/518164a 1630. aastal tutvustas René Descarte vastandlikku kirjeldust valgusest kui lainest oma traktaadis „Maailm“, näidates, et valguse käitumist saab taasluua, modelleerides lainelaadseid häireid mingis universaalses meediumis, näiteks helendavas eetris. 1670. aastast hakkas pihta 30-aastane protsess, mil Isaac Newton töötas välja ning võitles oma korpuskulaarse teooria eest, väites, et täiesti sirged peegeldusjooned demonstreerivad valguse osakese olemust, kuna ainult osakesed võivad nii sirgejooneliselt liikuda. Valguse murdumist seletas ta sellega, et valgusosakesed kiirenesid tihedamasse keskkonda sisenedes külgsuunas.Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 94. köide. Umbes samal ajal täpsustasid Newtoni kaasaegsed Robert Hooke ja Christiaan Huygens, hiljem ka Augustin-Jean Fresnel lainelisuse teooriat matemaatiliselt, näidates, et kui valgus levib erinevates keskkondades erineva kiirusega, saab murdumist seletada valguslainete keskkonnast sõltuva levimisega. Leitud Huygensi-Fresneli printsiip osutus valguse käitumise kirjeldamisel väga edukaks ning seda toetas hiljem ka 1801. aastal Thomas Youngi poolt tehtud kahe pilu katse, mille käigus avastati valguslainete interferents.Young, Thomas (1804). "Bakerian Lecture: Experiments and calculations relative to physical optics". Philosophical Transactions of the Royal Society. 94: 1–16. Bibcode:1804RSPT...94....1Y. doi:10.1098/rstl.1804.0001. S2CID 110408369. Lainekontseptsioon ei tõrjunud küll kohe osakese ja valguskiire kontseptsiooni välja, kuid hakkas 19. sajandi keskpaigas teadusringkondades domineerima, kuna see võis seletada polarisatsiooninähtusi, mida teised kontseptsioonid ei suutnud.Buchwald, Jed (1989). The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century. Chicago: University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-07886-1. OCLC 18069573. James Clerk Maxwell avastas, et tema varem avastatud võrrandeid on koos väikese modifikatsiooniga võimalik rakendada kirjeldamaks võnkuvate elektri- ja magnetväljade iselevivaid laineid. Peatselt muutus ilmseks, et nii nähtav valgus kui ka ultraviolett- ja infrapunavalgus on kõik erineva sagedusega elektromagnetlained.Maxwell 1864, https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/19/A_Dynamical_Theory_of_the_Electromagnetic_Field.pdf

 Musta keha kiirgus ja Plancki seadus 
Põhiartikkel: black-body radiation

Absoluutselt mustaks kehaks ehk mustkiirguriks nimetatakse keha, mis neelab kogu talle langeva kiirguse. Selle füüsikalise mudeli kiirgusvõime ületab antud temperatuuril kõigi teiste kehade kiirgusvõimet.

Musta keha kiirgust ehk objekti temperatuurist tingitud elektromagnetilise energia kiirgust ei saa seletada ainult klassikaliste argumentidega. 1900. aastal avaldas Max Planck mustkiirgurite spektreid uurides hüpoteesi, et aatomid võnguvad ainult kindlate diskreetsete sagedustega ehk nende energia on kvantiseeritud, millest järeldub, et aatomid võivad ka kiirata vaid diskreetseid energiapakette ehk kindlaid energiakvante. Elektromagnetkvandi energia E ja elektromagnetlaine sagedus f on lineaarselt sõltuvad valemiga E = hf, kus h on Plancki konstant.

Plancki käsitluses mustast kehast on kõige uuenduslikumaks aspekt, et oma olemuselt see tugineb täisarvule elektromagnetväljaga termodünaamilises tasakaalus olevatele osakestele. Need võnkuvad osakesed annavad kogu oma energia elektromagnetväljale, tekitades valguskvandi, aga kui neid endid elektromagnetväli ergastab, neelavad nad valguskvandi ja hakkavad vastaval sagedusel võnkuma, sealjuures ei saa must keha võnkudes sagedusel, mille energia on väiksem kui hf, kunagi valguskvanti tekitada. Olles elektromagnetvälja kvantiseerinud, mõistis ta siiski hukka valguse kui osakese kontseptsiooni.

 Fotoelektriline efekt 
Põhiartikkel: Photoelectric effect

Kuigi Planck oli ultravioletse katastroofi lahendanud aatomite ja kvantiseeritud elektromagnetvälja abil, nõustusid paljud kaasaegsed füüsikud, et Plancki valguskvandid esindavad tema mudelis ainult vigu. Musta keha kiirguse lõplikum tuletuskäik annaks täielikult pideva ja lainetaolise elektromagnetvälja ilma kvantiseerimiseta. 1905. aastal kasutas Einstein Plancki musta keha mudelit, et selgitada ära veel üks päevakajaline probleem: fotoefekt, mille korral valguse energia neeldumisel aatomis eralduvad sealt elektronid. Kuna seda oli teoretiseeritud juba kaheksa aastat, uuriti nähtust füüsikalaborites üle kogu maailma elektronmudeleid silmas pidades.

1902. aastal avastas Philipp Lenard, et nende ainest väljutatud elektronide energia ei sõltu pealelangeva valguse intensiivsusest, vaid hoopis selle sagedusest. Ehk kui valgustada metalli vähese madala sagedusega valgusega, paiskuvad sealt välja mõned madala energiaga elektronid. Kui aga kiirgub samale metallile väga intensiivne madalasageduslik valgusvihk, siis paiskub sealt välja terve hulk elektrone, kuid neil on sama madal energia, neid on lihtsalt arvuliselt rohkem. Seega, mida rohkem valgust on, seda rohkem elektrone ainest välja tõrjutakse. Kõrge energiaga elektronide saamiseks tuleb aga metalli valgustada kõrgesagedusliku valgusega. Nagu musta keha kiirguse korral, oli ka see teooria vastuolus arusaamaga, et kiirguse ja aine vahel toimub pidev energia ülekanne. Tulemust saab siiski ka selgitada täiesti klassikalist valguse kirjeldust kasutades senikaua, kuni aine on oma olemuselt kvantmehaaniline.Lamb, Willis E.; Scully, Marlan O. (1968). "The photoelectric effect without photons" https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19680009569/downloads/19680009569.pdf (PDF).

Seda fenomeni on võimalik seletada ainult footonite olemasolu abil. Einsteini "valguskvante" nimetati footoniteks alles 1925. aastal, kuid isegi 1905. aastal kujutasid nad endast laine-osakeste duaalsuse peamist näidet. Elektromagnetkiirgus levib kui laine, kuid see saab kiirguda või neelduda ainult diskreetsete elementidena, toimides seega samaaegselt nii laine kui ka osakesena.

 Einsteini seletus fotoefektile 
1905. aastal andis Albert Einstein selgituse fotoefektile, mida valguse laineteooria ei suutnud teha. Ta oletas footonite ehk osakeste omadustega valgusenergia kvantide olemasolu. Fotoefekti puhul täheldati, et valgustades teatud metalli, tõi see kaasa elektrivoolu ahelas. Arvatavasti põhjustas elektrivoolu elektronide metallist välja löömine valguse poolt. Näitekatses, kus kasutati kaaliumi, täheldati, et kuigi voolu tekitamiseks piisas tuhmist sinisest valgusest, siis isegi kõige tugevam ja eredam punane valgus, mis tolleaegse tehnoloogiaga luua võimalik oli, ei tekitanud üldse voolu. Klassikalise valguse ja aine teooria kohaselt oli valguslaine tugevus või amplituud võrdeline selle heledusega: ere valgus oleks pidanud olema piisavalt tugev, et tekitada suur vool. Kummalisel kombel see siiski nii ei olnud.

Einstein selgitas seda mõistatust postuleerides, et elektronid saavad elektromagnetväljast energiat vastu võtta ainult diskreetsetes ühikutes (kvantides või footonites): energia hulk E on seotud valguse sagedusega f

    E = hf 
kus h on Plancki konstant (6,626 × 10-34 Js). Ainult piisavalt kõrge sagedusega (üle teatud läviväärtuse) footonid võivad elektroni ainest välja lüüa. Näiteks sinise valguse footonitel oli piisavalt energiat elektroni vabastamiseks metallist, kuid punase valguse footonitel mitte. Üks lävisagedusest kõrgem valguse footon võib vabastada ainult ühe elektroni; mida kõrgem on footoni sagedus, seda suurem on emiteeritud elektroni kineetiline energia, kuid lävisagedusest allapoole jääva valguse footonid ei suudaks elektroni vabastada. Selle seaduse rikkumiseks oleks vaja ülisuure intensiivsusega lasereid, mida polnud veel leiutatud. Nüüdseks on intensiivsusest sõltuvaid nähtusi selliste laseritega üksikasjalikult uuritud.Zhang, Q (1996). "Intensity dependence of the photoelectric effect induced by a circularly polarized laser beam". Physics Letters A. 216 (1–5): 125–128. Bibcode:1996PhLA..216..125Z. doi:10.1016/0375-9601(96)00259-9.

Fotoefekti toimimispõhimõtte avastamise eest sai Einstein 1921. aastal Nobeli füüsikaauhinna.

 Aine dualism 
 De Broglie hüpotees 
Põhiartikkel: Matter wave

1924. aastal sõnastas Louis-Victor de Broglie oma hüpoteesi, väites, et kogu ainelDonald H Menzel, "Fundamental formulas of Physics", vol. 1, p. 153; Gives the de Broglie wavelengths for composite particles such as protons and neutrons.Brian Greene, The Elegant Universe, page 104 "all matter has a wave-like character" on lainelaadne olemus. Ta seostas lainepikkuse ja impulsi valemiga:

     λ = h/p

Ülaltoodud on Einsteini võrrandi üldistus, kuna footoni impulsi määrab p = E/c ja lainepikkuse vaakumis määrab λ = c/f, kus c on valguse kiirus vaakumis.

De Broglie valem leidis kolm aastat hiljem kinnitust elektronide jaoks, kui jälgiti elektronide difraktsiooni kahes sõltumatus katses. Aberdeeni ülikoolis lasi George Paget Thomson elektronkiire läbi õhukese metallkile ja jälgis ennustatud interferentsimustreid.Navarro, Jaume (2010). "Electron diffraction chez Thomson: early responses to quantum physics in Britain". The British Journal for the History of Science. 43 (2): 245–275. doi:10.1017/S0007087410000026. ISSN 0007-0874 Belli laboris juhtisid Clinton Joseph Davisson ja Lester Halbert Germer oma eksperimendis elektronkiire läbi kristallvõrgu. Rahvasuus nimetatakse seda Davissoni-Germeri katseks.

De Broglie pälvis oma hüpoteesi eest 1929. aastal Nobeli füüsikaauhinna. Thomson ja Davisson said oma eksperimentaalse töö eest Nobeli füüsikaauhinna 1937. aastal.

 Heisenbergi määramatuse printsiip 
Põhiartikkel: Uncertainty principle

Töös, kus Werner Heisenberg formuleeris kvantmehaanika, sõnastas ta määramatuse printsiibi järgmiselt:

    ΔxΔp≥1/2ℏ  

kus Δ tähistab standardhälvet, kui leviku või määramatuse mõõdikut; x ja p on vastavalt osakese asukoht ja impulss, ℏ on taandatud Plancki konstant (Plancki konstant jagatud 2π-ga).Heisenberg, W. (1930), Physikalische Prinzipien der Quantentheorie (in German), Leipzig: Hirzel English translation The Physical Principles of Quantum Theory. Chicago: University of Chicago Press, 1930.

Heisenberg selgitas seda algselt mõõtmisprotsessi tagajärjena: asukoha täpne mõõtmine mõjutaks impulssi ja vastupidi, pakkudes näiteks "gammakiirguse mikroskoobi", mis sõltus täielikult de Broglie hüpoteesist. Nüüd aga arvatakse, et see seletab nähtust vaid osaliselt, sest määramatus eksisteerib ka osakeses endas, isegi enne mõõtmist.

Määramatuse printsiibi kaasaegne seletus sõltub veel enam osakese lainelisest omadusest, täiendades Bohri ja Heisenbergi algselt sõnastatud Kopenhaageni tõlgendust. Nii nagu on mõttetu arutada laine täpset asukohta keelel, pole ka osakestel täiesti täpset asukohta. Samuti, nagu on mõttetu arutada keelt mööda liikuva „impulsilaine“ lainepikkust, ei ole osakestel täiesti täpset impulssi, mis vastaks lainepikkuse pöördväärtusele. Veelgi enam, kui asukoht on suhteliselt hästi määratletud, on laine impulsitaoline ja sellel on väga halvasti määratletud lainepikkus ja seega ka impulss. Ja vastupidi, kui impulss ja seega lainepikkus on suhteliselt hästi määratletud, tundub laine pikk ja sinusoidaalne ning seetõttu on sellel väga raskestimääratletav asukoht.Marage, Pierre (1999). "The Debate between Einstein and Bohr, or How to Interpret Quantum Mechanics". The Solvay Councils and the Birth of Modern Physics. pp. 161–174. doi:10.1007/978-3-0348-7703-9_10. ISBN 978-3-0348-7705-3.

 De Broglie – Bohmi teooria 

De Broglie ise pakkus välja pilootlaine konstruktsiooni, et selgitada täheldatud laine-osakese duaalsust. Selles vaates on igal osakesel täpselt määratletud asukoht ja impulss, kuid seda juhib Schrödingeri võrrandist tuletatud lainefunktsioon. Pilootlaine teooria lükati algselt tagasi, kuna see tekitas mittelokaalseid efekte, kui seda rakendati süsteemidele, mis hõlmavad rohkem kui ühte osakest. Mittelokaalsus sai aga peagi kvantteooria lahutamatuks tunnuseks ja David Bohm laiendas de Broglie mudelit, et see selgesõnaliselt kaasata.

Saadud esituses, mida nimetatakse ka de Broglie – Bohmi teooriaks või Bohmi mehaanikaks,Bohmian Mechanics, Stanford Encyclopedia of Philosophy. kaob laine-osakeste duaalsus ja see seletab laine käitumist lainekujulise hajumisena, kuna osakese liikumine sõltub teda juhtivast võrrandist või kvantpotentsiaalist. J. S. Bell on öelnud, et "See idee tundub mulle nii loomulik ja lihtne lahendamaks laine-osakeste dilemmat nii selgel ja tavalisel viisil, et minu jaoks on suur mõistatus, et seda nii üldiselt ignoreeriti.“Bell, J. S., "Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics", Cambridge: Cambridge University Press, 1987.

Pilootlaine mudeli parima illustratsiooni andsid Couderi 2010. aasta "kõndivate tilkade" katsed,Couder, Y. (2010). "Walking droplets, a form of wave–particle duality at macroscopic scale?" (PDF). Europhysics News. 41 (1): 14–18. Bibcode:2010ENews..41a..14C. doi:10.1051/epn/2010101. mis demonstreerisid pilootlaine käitumist makroskoopilises mehaanilises analoogis.See this Science Channel production (Season II, Episode VI "How Does The Universe Work?"), presented by Morgan Freeman, https://www.youtube.com/watch?v=W9yWv5dqSKk

 Suurte objektide laineline omadus 

Alates footonite ja elektronide lainelaadsete omaduste demonstreerimisest on selliseid katseid tehtud ka neutronite ja prootonitega. Kõige kuulsamate katsete hulgas on Estermanni ja Otto Sterni katsed 1929. aastal.Estermann, I.; Stern O. (1930). "Beugung von Molekularstrahlen". Zeitschrift für Physik. 61 (1–2): 95–125. Bibcode:1930ZPhy...61...95E. doi:10.1007/BF01340293. S2CID 121757478. Aatomite ja molekulidega sarnaseid katseid läbi viinud teadlased väidavad, et need suuremad osakesed toimivad samuti nagu lained.

1970. aastatel viidi neutroninterferomeetri abil läbi eksperimentide seeria, mille rõhk oli gravitatsiooni mõjul laine osakese duaalsusele.Colella, R.; Overhauser, A. W.; Werner, S. A. (1975). "Observation of Gravitationally Induced Quantum Interference" (PDF). Physical Review Letters. 34 (23): 1472–1474. Bibcode:1975PhRvL..34.1472C. doi:10.1103/PhysRevLett.34.1472. Neutronid, üks aatomituuma komponente, annavad suure osa tuuma ja seega ka tavalise aine massist. Neutroninterferomeetris käituvad need kvantmehaaniliste lainetena, mis on otseselt allutatud gravitatsioonijõule. Kuigi tulemused ei olnud üllatavad, sest gravitatsioon mõjus teadaolevalt kõigele, sealhulgas valgusele (vt üldrelatiivsusteooria testid ja Poundi-Rebka langeva footoni katse), siis massiivse fermioni kvantmehaanilise laine eneseinterferentsi gravitatsiooniväljas polnud kunagi varem eksperimentaalselt kinnitatud.

1999. aastal teatati Viini ülikooli teadlaste C60 fullereenide difraktsioonist.Arndt, Markus; O. Nairz; J. Voss-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger (14 October 1999). "Wave–particle duality of C60". Nature. 401 (6754): 680–682. Bibcode:1999Natur.401..680A. doi:10.1038/44348. PMID 18494170. S2CID 4424892. Fullereenid on suhteliselt suured ja massiivsed objektid, mille aatommass on umbes 720 daltonit. Langeva kiire de Broglie lainepikkus on umbes 2,5 pm, samas kui molekuli läbimõõt on umbes 1 nm ehk ligikaudu 400 korda suurem. 2012. aastal laiendati neid kaugvälja difraktsioonikatseid ftalotsüaniini molekulidele ja nende raskematele derivaatidele, mis koosnevad vastavalt 58 ja 114 aatomist. Nendes katsetes saab selliste interferentsimustrite kogunemist registreerida reaalajas ja ühe molekuli tundlikkusega.Juffmann, Thomas; et al. (25 March 2012). "Real-time single-molecule imaging of quantum interference". Nature Nanotechnology. 7 (5): 297–300. arXiv:1402.1867. Bibcode:2012NatNa...7..297J. doi:10.1038/nnano.2012.34. PMID 22447163. S2CID 5918772. 2003. aastal demonstreeris Viini rühm ka tetrafenüülporfüriiniHackermüller, Lucia; Stefan Uttenthaler; Klaus Hornberger; Elisabeth Reiger; Björn Brezger; Anton Zeilinger; Markus Arndt (2003). "The wave nature of biomolecules and fluorofullerenes". Phys. Rev. Lett. 91 (9): 090408. arXiv:quant-ph/0309016. Bibcode:2003PhRvL..91i0408H. doi:10.1103/PhysRevLett.91.090408. PMID 14525169. S2CID 13533517 lainelist olemust. Tetrafenüülporfüriin on biovärv, mille molekul on planaarne ja mille maksimaalne diameeter on umbes 2 nm ja mass 614 daltonit. Selle katse jaoks kasutati lähivälja Talbot Lau interferomeetrit.Clauser, John F.; S. Li (1994). "Talbot von Lau interefometry with cold slow potassium atoms". Phys. Rev. A. 49 (4): R2213–2217. Bibcode:1994PhRvA..49.2213C. doi:10.1103/PhysRevA.49.R2213. PMID 9910609Brezger, Björn; Lucia Hackermüller; Stefan Uttenthaler; Julia Petschinka; Markus Arndt; Anton Zeilinger (2002). "Matter-wave interferometer for large molecules". Phys. Rev. Lett. 88 (10): 100404. arXiv:quant-ph/0202158. Bibcode:2002PhRvL..88j0404B. doi:10.1103/PhysRevLett.88.100404. PMID 11909334. S2CID 19793304 Samast interferomeetrist leidsid nad ka 108 aatomist koosneva umbes 1600 daltonilise massiga fluoreeritud Buckmisterfullereeni (C60F48) interferentsijooned. Suured molekulid on juba nii keerulised, et annavad eksperimentaalse juurdepääsu mõnedele kvant-klassikalistele ühenduskohtadele, st teatud dekoherentsimehhanismidele.Hornberger, Klaus; Stefan Uttenthaler; Björn Brezger; Lucia Hackermüller; Markus Arndt; Anton Zeilinger (2003). "Observation of Collisional Decoherence in Interferometry". Phys. Rev. Lett. 90 (16): 160401. arXiv:quant-ph/0303093. Bibcode:2003PhRvL..90p0401H. doi:10.1103/PhysRevLett.90.160401. PMID 12731960. S2CID 31057272 Hackermüller, Lucia; Klaus Hornberger; Björn Brezger; Anton Zeilinger; Markus Arndt (2004). "Decoherence of matter waves by thermal emission of radiation". Nature. 427 (6976): 711–714. arXiv:quant-ph/0402146. Bibcode:2004Natur.427..711H. doi:10.1038/nature02276. PMID 14973478. S2CID 3482856. 2011. aastal suudeti Kapitza-Dirac-Talbot-Lau interferomeetriga näidata ka juba nii raskete molekulide kui 6910 daltonit, interferentsi.Gerlich, Stefan; et al. (2011). "Quantum interference of large organic molecules". Nature Communications. 2 (263): 263. Bibcode:2011NatCo...2..263G. doi:10.1038/ncomms1263. PMC 3104521. PMID 21468015 2013. aastal on tõestati üle 10 000 daltonilise massiga molekulide interferents.Eibenberger, S.; Gerlich, S.; Arndt, M.; Mayor, M.; Tüxen, J. (2013). "Matter–wave interference of particles selected from a molecular library with masses exceeding 10 000 amu". Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (35): 14696–14700. arXiv:1310.8343. Bibcode:2013PCCP...1514696E. doi:10.1039/c3cp51500a. PMID 23900710. S2CID 3944699

Couder, Fort ja teised näitasid,Yves Couder Explains Wave/Particle Duality via Silicon Droplets – https://www.youtube.com/watch?v=W9yWv5dqSKk et makroskoopilisi õlitilku vibreerivas vedelikuvannis saab kasutada laine-osakese duaalsuse analoogmudelina, kuna lokaliseeritud tilk loob enda ümber perioodilise lainevälja. Resonantsinteraktsioon tilga ja tema enda lainevälja vahel käitub analoogselt kvantosakestega: esinevad interferents topeltpiluga katsesCouder, Yves; Fort, Emmanuel (2006). "Single-Particle Diffraction and Interference at a Macroscopic Scale". Physical Review Letters. 97 (15): 154101. Bibcode:2006PhRvL..97o4101C. doi:10.1103/PhysRevLett.97.154101. PMID 17155330 ettearvamatu tunnelleerumine (sõltub keerulisel viisil praktiliselt varjatud väljaolekust),Eddi, A.; Fort, E.; Moisy, F.; Couder, Y. (2009). "Unpredictable Tunneling of a Classical Wave-Particle Association". Physical Review Letters. 102 (24): 240401. Bibcode:2009PhRvL.102x0401E. doi:10.1103/PhysRevLett.102.240401. PMID 19658983 orbiidi kvantiseerimine (see osake peab leidma resonantsi tema tekitatavate väljahäiretega – pärast ühte orbiiti peab selle sisefaas naasma algolekusse)Fort, E.; Eddi, A.; Boudaoud, A.; Moukhtar, J.; Couder, Y. (2010). "Path-memory induced quantization of classical orbits". PNAS. 107 (41): 17515–17520. arXiv:1307.6051. Bibcode:2010PNAS..10717515F. doi:10.1073/pnas.1007386107. PMC 2955113. S2CID 53462533 ja Zeemani efekt.Eddi, A.; Moukhtar, J.; Perrard, S.; Fort, E.; Couder, Y. (2012). "Level Splitting at Macroscopic Scale". Physical Review Letters. 108 (26): 264503. Bibcode:2012PhRvL.108z4503E. doi:10.1103/PhysRevLett.108.264503. PMID 23004988 Tähele tuleb panna, et teised ühe- ja kahepilukatsedPucci, G. (2018). "Walking droplets interacting with single and double slits" (PDF). Journal of Fluid Mechanics. 835 (835): 1136–1156. Bibcode:2018JFM...835.1136P. doi:10.1017/jfm.2017.790. S2CID 37760205Andersen, Anders (2016). "Double-slit experiment with single wave-driven particles and its relation to quantum mechanics". Phys. Rev. E. 92 (1): 013006. doi:10.1103/PhysRevE.92.013006. PMID 26274269 on näidanud, et pilootlaine difraktsiooni või interferentsi asemel võivad kvantosakeste interferentsimustritest erinevate hüdrodünaamiliste mustrite eest vastutavad olla hoopis seina ja tilga interaktsioonid.

 Alternatiivsed käsitlused 

Laine-osakese duaalsus on jätkuvalt füüsikute jaoks mõistatus. Enamik füüsikuid aktsepteerib laine-osakese duaalsust kui parimat seletust paljudele vaadeldavatele nähtustele; aga tuleb tunnistada, et jätkuvalt esineb vastuolusid. Esineb ka alternatiivseid vaateid, mida peavoolufüüsika ei aktsepteeri, aga mille seisukohad on oluliseks arutelukohaks.

 Nii osakeste kui ka lainete vaade 

Pilootlaine mudeli töötas algselt välja Louis de Broglie ja seda edasi arendades jõudis David Bohm peidetud muutuja teooriani. Väljend "peidetud muutuja" on eksitav, kuna kõnealuse muutuja all peetakse silmas osakeste asukohti.Goldstein, Sheldon. "The Defining Equations of Bohmian Mechanics". Stanford Encyclopedia of Philosophy. Retrieved 22 October 2021. https://plato.stanford.edu/entries/qm-bohm/#DefiEquaBohmMech Duaalsuse asemel pakub pilootlaine mudel välja, et nii laine kui ka osake on olemas koos lainega, mis juhib osakest deterministlikul viisil. Kõnealune laine on lainefunktsioon, mis järgib Schrödingeri võrrandit. Kavatsetult on Bohmi sõnastus klassikaline, kuid sisaldab selgelt mitteklassikalist tunnust: mittelokaalset jõudu ("kvantpotentsiaal"), mis mõjutab osakesi.

Bohmi (1952) esialgne eesmärk oli näidata, et alternatiiv Kopenhaageni tõlgendusele on vähemalt loogiliselt võimalik.Bohm, David (1952). "A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of 'Hidden' Variables, I and II". Physical Review. 85 (2): 166–179. doi:10.1103/PhysRev.85.166 Varsti jättis ta projekti kõrvale ega võtnud seda käsile enne, kui kohtus 1961. aastal Basil Hileyga, kui mõlemad olid Birbecki kolledžis (Londoni Ülikool). Seejärel kirjutasid Bohm ja Hiley teooriast põhjalikumalt, misjärel see kogus laiemat publikut. Seda ideed toetavad vähesed füüsikud.Buchanan, M. (2019). "In search of lost memories". Nat. Phys. 15 (5): 29–31. Bibcode:2019NatPh..15..420B. doi:10.1038/s41567-019-0521-9. S2CID 155305346

Nii osakese kui ka laine vaadet toetab ka Afshari eksperiment,Afshar, S.S.; et al. (2007). "Paradox in Wave Particle Duality". Found. Phys. 37 (2): 295. arXiv:quant-ph/0702188. Bibcode:2007FoPh...37..295A. doi:10.1007/s10701-006-9102-8. S2CID 2161197 mis võib viidata sellele, et footonite laine- ja osakese omadusi on võimalik samaaegselt jälgida. Teised teadlased on selle väite aga vaidlustanud.Kastner, R (2005). "Why the Afshar experiment does not refute complementarity". Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 36 (4): 649–658. arXiv:quant-ph/0502021. Bibcode:2005SHPMP..36..649K. doi:10.1016/j.shpsb.2005.04.006. S2CID 119438183Steuernagel, Ole (2007-08-03). "Afshar's Experiment Does Not Show a Violation of Complementarity". Foundations of Physics. 37 (9): 1370–1385. arXiv:quant-ph/0512123. Bibcode:2007FoPh...37.1370S. doi:10.1007/s10701-007-9153-5. ISSN 0015-9018. S2CID 53056142Jacques, V.; Lai, N. D.; Dréau, A.; Zheng, D.; Chauvat, D.; Treussart, F.; Grangier, P.; Roch, J.-F. (2008-01-01). "Illustration of quantum complementarity using single photons interfering on a grating". New Journal of Physics. 10 (12): 123009. arXiv:0807.5079. Bibcode:2008NJPh...10l3009J. doi:10.1088/1367-2630/10/12/123009. ISSN 1367-2630. S2CID 2627030Georgiev, Danko (2012-01-26). "Quantum Histories and Quantum Complementarity". ISRN Mathematical Physics. 2012: 1–37. doi:10.5402/2012/327278

 Ainult laineline vaade 

Ameerika teadlane ja Caltechi professor Carver Mead ütles, et duaalsuse saab asendada "ainult lainepõhise" vaatega. Oma raamatus „Collective Electrodynamics: Quantum Foundations of Electromagnetism“ (2000) püüab Mead analüüsida elektronide ja footonite käitumist puhtalt elektroni lainefunktsioonide seisukohast ning omistab näilise osakeselaadse käitumise kvantiseerimisefektidele ja omaolekutele. Arvustaja David Haddoni on öelnud: „Mead on läbi lõiganud kvantkomplementaarsuse Gordioni sõlme. Ta väidab, et aatomid koos oma neutronite, prootonite ja elektronidega pole üldsegi osakesed, vaid puhtad ainelained. Mead peab nii valguse kui ka mateeria üksnes lainelise olemuse tõendiks aastatel 1933–1996 kümne puhta lainenähtuse avastamist, näiteks CD-mängijate üldlevinud laserid, ülijuhtide iselevivad elektrivoolud ja aatomite Bose'i-Einsteini kondensaat.“David Haddon. "Recovering Rational Science". Touchstone. Retrieved 2007-09-12. http://www.touchstonemag.com/archives/article.php?id=16-07-044-b 

Albert Einstein, kes ühtse välja teooriat otsides ei aktsepteerinud laine-osakeste duaalsust, kirjutas: „Seda kiirguse (ja materiaalsete kehakeste) duaalsust ... on kvantmehaanika tõlgendanud leidlikult ja hämmastavalt edukalt. See tõlgendus... tundub mulle vaid ajutise väljapääsuna...“Paul Arthur Schilpp, ed, Albert Einstein: Philosopher-Scientist, Open Court (1949), ISBN 0-87548-133-7, p. 51.

Paljude maailmade tõlgendust (MWI) esitletakse mõnikord ainult lainepõhise teooriana. Nii käsitles seda ka teooria algataja Hugh Everett, kes nimetas mitme maailma tõlgendust “lainete tõlgenduseks”.See section VI(e) of Everett's thesis: The Theory of the Universal Wave Function, in Bryce Seligman DeWitt, R. Neill Graham, eds, The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, Princeton Series in Physics, Princeton University Press (1973), ISBN 0-691-08131-X, pp. 3–140.

R. Horodecki kolme laine hüpotees seob osakese lainega.Horodecki, R. (1981). "De broglie wave and its dual wave". Phys. Lett. A. 87 (3): 95–97. Bibcode:1981PhLA...87...95H. doi:10.1016/0375-9601(81)90571-5Horodecki, R. (1983). "Superluminal singular dual wave". Lettere al Nuovo Cimento. 38 (15): 509–511. doi:10.1007/BF02817964. S2CID 120784358 Hüpotees viitab sellele, et massiivne osake on mittelineaarse seaduse järgi olemuslikult ruumiliselt ja ka ajaliselt laiendatud lainenähtus.

Determenistlik kollapsiteooriaJabs, Arthur (2016). "A conjecture concerning determinism, reduction, and measurement in quantum mechanics". Quantum Studies: Mathematics and Foundations. 3 (4): 279–292. arXiv:1204.0614. doi:10.1007/s40509-016-0077-7. S2CID 32523066. käsitleb kokkuvarisemist ja mõõtmist kahe sõltumatu füüsikalise protsessina. Kokkuvarisemine toimub siis, kui kaks lainet ruumiliselt kattuvad ja täidavad matemaatilist kriteeriumi, mis sõltub mõlema lainepaketi parameetritest.

 Ainult osakese vaade 

Veel vana kvantteooria päevil oli laine-osakeste duaalsuse kvantmehaanilise versiooni teerajajaks William DuaneDuane, W. (1923). "The Transfer in Quanta of Radiation Momentum to Matter". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 9 (5): 158–164. Bibcode:1923PNAS....9..158D. doi:10.1073/pnas.9.5.158. PMC 1085314. PMID 16576688 ja väljatöötajateks ka paljud teised, sealhulgas Alfred Landé.Landé, A. (1951). Quantum Mechanics, Sir Isaac Pitman and Sons, London, pp. 19–22. Duane selgitas röntgenikiirte difraktsiooni kristallis ainult osakese aspektist. Iga difraktsiooniga kõrvale kaldunud footoni trajektoori seletati difraktsioonikristalli ruumiliselt korrapärasest struktuurist tuleneva kvantiseeritud impulsi ülekande tõttu.Heisenberg, W. (1930). The Physical Principles of the Quantum Theory, translated by C. Eckart and F.C. Hoyt, University of Chicago Press, Chicago, pp. 77–78.

 Ei laine ega osakese vaade 

Väidetakse, et ei eksisteeri puhtaid laineid või osakesi, vaid on olemas mingisugune kompromiss või vaheolek nende vahel. Sel põhjusel võttis Arthur EddingtonEddington, Arthur Stanley (1928). The Nature of the Physical World. Cambridge, UK: MacMillan. pp. 201. 1928. aastal objektide kirjeldamiseks kasutusele nimetuse "laineke", kuigi seda tänapäeval regulaarselt ei kasutata. Üks kaalutlus on see, et nullmõõtmelisi matemaatilisi punkte ei saa jälgida. Teine on see, et selliste punktide formaalset esitust ei saa normaliseerida, kuna Diraci delta funktsioon on ebafüüsiline. Paralleelsed argumendid kehtivad ühesageduslike laineolekute kohta. Roger Penrose on öelnud: “Sellised positsiooniolekud” on idealiseeritud lainefunktsioonid vastupidi impulsi olekutele. Kui impulsiseisundid on lõpmatult hajutatud, siis positsiooniolekud on lõpmatult kontsentreeritud. Kumbki pole normaliseeritav (…)”Penrose, Roger (2007). The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. Vintage. p. 521, §21.10. ISBN 978-0-679-77631-4.

 Rakendused 
Kuigi on raske tõmmata joont, mis eraldaks laine-osakeste duaalsust ülejäänud kvantmehaanikast, on siiski võimalik loetleda selle põhiidee mõned rakendused.

Laine-osakeste duaalsust kasutatakse elektronmikroskoopias, kus elektroniga seotud väikeseid lainepikkusi saab kasutada palju väiksemate objektide vaatamiseks kui nähtava valguse abil vaadeldavad.

Samamoodi kasutab neutronite difraktsioon tahkete ainete struktuuri määramiseks neutroneid, mille lainepikkus on umbes 0,1 nm (tüüpiline aatomite vahekaugus tahkes aines).

Fotodel on nüüd võimalik seda kahetist olemust näidata, mis võib viia uute viisideni selle käitumise uurimiseks ja salvestamiseks.Papageorgiou, Nik (2 March 2015). "Press release: The first ever photograph of light as both a particle and wave". Ecole Polytechnique Federale de Lausanne.

 Viited 

Kategooria:Kvantmehaanika