wave–particle duality

Part of a series of articles about
quantum mechanics
${\displaystyle i\hbar {\frac {d}{dt}}|\Psi \rangle ={\hat {H}}|\Psi \rangle }$ Schrödinger equation
Introduction Glossary History
Background Classical mechanics Old quantum theory Bra–ket notation Hamiltonian Interference
Fundamentals Complementarity Decoherence Entanglement Energy level Measurement Nonlocality Quantum number State Superposition Symmetry Tunnelling Uncertainty Wave function Collapse
Experiments Bell's inequality CHSH inequality Davisson–Germer Double-slit Elitzur–Vaidman Franck–Hertz Leggett inequality Leggett–Garg inequality Mach–Zehnder Popper Quantum eraser Delayed-choice Schrödinger's cat Stern–Gerlach Wheeler's delayed-choice
Formulations Overview Heisenberg Interaction Matrix Phase-space Schrödinger Sum-over-histories (path integral)
Equations Dirac Klein–Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Interpretations Bayesian Consciousness causes collapse Consistent histories Copenhagen de Broglie–Bohm Ensemble Hidden-variable Many-worlds Objective-collapse Quantum logic Superdeterminism Relational Transactional
Advanced topics Relativistic quantum mechanics Quantum field theory Quantum information science Quantum computing Quantum chaos EPR paradox Density matrix Scattering theory Quantum statistical mechanics Quantum machine learning
Scientists Aharonov Bell Bethe Blackett Bloch Bohm Bohr Born Bose de Broglie Compton Dirac Davisson Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Glauber Gutzwiller Heisenberg Hilbert Jordan Kramers Lamb Landau Laue Moseley Millikan Onnes Pauli Planck Rabi Raman Rydberg Schrödinger Simmons Sommerfeld von Neumann Weyl Wien Wigner Zeeman Zeilinger
v t e

wave–particle duality (tsz. wave–particle dualities)

1. (informatika) hullám-részecske kettősség

A hullám–részecske kettősség (angolul: wave–particle duality) a kvantummechanika egyik legalapvetőbb és legmeglepőbb jelensége, amely azt mondja ki, hogy az anyag és a sugárzás egyszerre rendelkezik hullám- és részecsketermészettel. Ez a kettősség alapvetően eltér a klasszikus fizika megszokott gondolkodásmódjától, ahol a hullámokat és részecskéket különálló, egymást kizáró kategóriáknak tekintették.

Ez az elv a 20. század elején alakult ki olyan kísérletek nyomán, amelyek sem a klasszikus mechanikával, sem a klasszikus elektrodinamikával nem voltak megmagyarázhatók. A hullám–részecske kettősség segített megérteni a fény természetét, az elektronok viselkedését, és alapjául szolgál a kvantumfizika teljes elméleti felépítésének.

• A részecskék olyan objektumok, amelyeknek meghatározott helyük és sebességük van, és amelyek nyomon követhetők.
• A hullámok eloszlások, amelyek kiterjednek a térben, például a vízhullám, hanghullám, vagy a fény klasszikus hullámképe.

A klasszikus fizika szerint egy objektum vagy részecske (mint egy golyó), vagy hullám (mint egy fényhullám) lehet, de nem mindkettő egyszerre.

A 19. században James Clerk Maxwell elektromágneses elmélete azt mutatta ki, hogy a fény elektromágneses hullám. Különböző jelenségek ezt igazolták:

• Interferencia – amikor két fényhullám találkozik, erősíthetik vagy kiolthatják egymást.
• Diffrakció – a fény elhajlik akadályok körül.
• Polarizáció – a fény hullámsíkhoz kötött viselkedése.

A fényelektromos hatás (Einstein, 1905) viszont arra utalt, hogy a fény nemcsak hullámként, hanem diszkrét csomagokban, úgynevezett fotonokként is létezik.

• Amikor a fény egy fémfelületre esik, bizonyos frekvencia felett elektronokat üt ki belőle.
• A jelenség csak úgy volt magyarázható, ha a fényt részecskeként, fotonként értelmezték, melynek energiája: E = h·f, ahol h a Planck-állandó, f a fény frekvenciája.

Ez azt jelentette, hogy a fény hullámként viselkedik az egyik kísérletben, de részecskeként a másikban.

1924-ben Louis de Broglie francia fizikus előállt a merész gondolattal, hogy nemcsak a fény, hanem az anyagi részecskék is rendelkeznek hullámtulajdonságokkal.

A de Broglie-hullámhossz képlete: λ = h / p, ahol λ a hullámhossz, h a Planck-állandó, p a részecske impulzusa.

Ez azt jelenti, hogy minden részecske (pl. elektron, proton, neutron) rendelkezik egy „társított hullámmal”, melynek hullámhossza függ a mozgásától.

A hullámtermészet bizonyítására az elektronokkal végzett kettős rés kísérlet szolgált:

• Elektronokat lőttek két szűk résen át egy detektor ernyőre.
• Ha sok elektront bocsátanak ki egymás után, interferencia-mintázat jelenik meg – ugyanaz, mint a fény esetén.
• Még ha egyesével is lövik ki az elektronokat, az összegyűlt mintázat idővel hullámjellegű interferenciaképet alkot.
• Ez azt sugallja, hogy minden egyes elektron “saját magával interferál”, azaz egyidejűleg több útvonalon halad át.

Ez csak úgy értelmezhető, ha az elektron nem pontszerű részecseként, hanem hullámként is viselkedik.

A hullám–részecske kettősség legkülönösebb vonása, hogy attól függően, hogyan mérjük, a részecske másként viselkedik.

• Ha megpróbáljuk megfigyelni, melyik résen halad át az elektron, akkor eltűnik az interferenciakép, és részecskeszerű viselkedést látunk.
• Ha nem figyeljük meg, akkor hullámszerű viselkedést tapasztalunk.

Ez a jelenség az obzerváció problémája: maga a mérés befolyásolja a megfigyelt rendszert. Ez a kvantummechanika egyik alapvető sajátossága.

A hullám–részecske kettősség logikus következménye a Heisenberg-féle határozatlansági elv (1927), amely kimondja:

• Nem lehet egyidejűleg pontosan ismerni egy részecske helyét és impulzusát:

  Δx · Δp ≥ ħ / 2

• A hullámszerű természet miatt a hely bizonytalansága és a mozgás bizonytalansága összefügg.

Ez megdöntötte a klasszikus determinizmus eszméjét: a kvantumvilág valószínűségi természetű.

A kvantummechanikában minden részecskét egy hullámfüggvény (ψ) ír le, amely megadja az adott állapot valószínűségi amplitúdóját.

• |ψ(x)|² – annak valószínűsége, hogy a részecskét az x helyen találjuk.
• A hullámfüggvény lehet interferáló, szuperponált, és csak a mérés eredményeként „omlik össze”.

A hullám–részecske kettősség tehát nemcsak furcsaság, hanem a kvantumelmélet magja.

• Protonokkal, neutronokkal, atomokkal is kimutatták a hullámtermészetet.
• A kutatások olyan nagyméretű objektumokra is kiterjednek, mint molekulák – pl. fullerének (C₆₀), amelyek szintén interferenciaképet hozhatnak létre.

Ez arra utal, hogy a kvantumviselkedés univerzális, de a hullámjelleg a tömeg és méret növekedésével gyakorlatilag elhanyagolható.

• Elektronmikroszkóp – a részecskék hullámtermészete miatt lehet sokkal kisebb részleteket megfigyelni, mint fényoptikával.
• Kvantumszámítógépek – a részecskék szuperpozícióját és interferenciáját használják ki.
• Alagúthatás – részecskék átjutása olyan helyeken, amelyeken a klasszikus fizika szerint nem lenne szabad (pl. félvezetők, atomreakciók).

A hullám–részecske kettősség forradalmasította a fizikát, és megdöntötte a klasszikus világképet. Ma már tudjuk, hogy a természet alapvető egységei nem beskatulyázhatók a régi kategóriákba. Egy részecske nemcsak „itt” vagy „ott” van, hanem valószínűségi módon létezik, és hullámként is „szétterülhet” a térben. Ez a kettősség nemcsak elméleti érdekesség, hanem gyakorlati technológiák és a valóság mélyebb megértésének alapja.

• wave–particle duality - Szótár.net (en-hu)
• wave–particle duality - Sztaki (en-hu)
• wave–particle duality - Merriam–Webster
• wave–particle duality - Cambridge
• wave–particle duality - WordNet
• wave–particle duality - Яндекс (en-ru)
• wave–particle duality - Google (en-hu)
• wave–particle duality - Wikidata
• wave–particle duality - Wikipédia (angol)