Как понять Корпускулярно-волновой дуализм?
Публичный пост
11 июня 2020
2333
А кто может подробно пояснить за дуализм частиц-волн?
Мечтаю понять на низком уровне.
Вроде как эти штуки не всегда одновременно в двух ипостасях существуют, потому что в разных экспериментах они проявляют одни или другие свойства.
#физика
"Волна" и "частица" - это просто модели, которые мы можем легко понять, так как примеры таких объектов у нас перед глазами. Если же говорить, например, о фотонах, то они не являются ни тем, ни другим; но проявляют отдельные свойства и того, и другого.
Объяснение на пальцах на примере электронных облаков вроде бы в "Кратчайшей истории времени" Хокинга было, если мне память не изменяет.
tl;dr: никак :)
В начале двадцатого века началась неклассическая физика, чье сильное отличие от того, что было раньше, в том, что она вообще не связана с житейским опытом. То есть, в конце девятнадцатого века всем казалось, что электрон и там теннисный мячик - это примерно одно и то же, только вот надо ещё чуток поднажать, чтобы определить внутренние упругие свойства электрона, и все, полная теоретическая картина мира построена, никто ничего нового больше не придумает. А потом что-то пошло не так.
На эту тему советую речь Ландау, которую он прочитал в каком-то театре что ли https://ufn.ru/ru/articles/2018/1/j/. Там о том, что такое современная физика, и как она связана с житейским опытом.
По сути корпускулярно-волнового дуализма можно привести в пример опыт Юнга. Если поставить две доски параллельно друг за другом, одну с двумя дырками и начать швырять в дырявую электроны по одному, то на сплошной доске будут пятна, куда попали электроны.
Вот оказывается, что если одну дырку закрыть, то и пятно будет одно, как будто мы шарики (корпускулы, прости лгосподи) бросаем. Если открыть вторую дырку, то вопреки классическим ожиданиям, будет не два светлых пятна, по одному за каждой дыркой, а сложная интерференционная картина. Как будто электрон ведет себя как волна - волны умеют накладываться друг на друга и усиливать/ослаблять друг друга. Тут еще важно, что электроны мы бросаем по одному, то есть похоже, что электрон кагбе делится на две волны, которые друг на друга накладываются. Но если мы между дырявой и сплошной досками научимся определять, через какую дырку прошел электрон, мы всегда будем видеть, что только через одну. То есть увидеть разделенный на две волны электрон невозможно.
Очевидно, что ничего подобного в быту не происходит - кирпичи себя так не ведут. Самые большие объекты, с которыми сработал опыт Юнга, насколько мне известно, это молекулы фуллеренов С60 и какие-то еще побольше, но все равно с атомными массами до тысячи (кажется). Поэтому свести такой эксперимент к житейскому опыту, наверное, нельзя.
Понятно,что где-то между кирпичами и фуллеренами есть квантово-классическая граница, и сейчас многие научные группы пытаются ее нащупать и протащить какой-нибудь условный кирпич на квантовую сторону. Косвенным образом я тоже этим занимаюсь, есть места в аспирантуре, кстати :)
Ну тут же вопрос ещё ачто значит понять? И что значит понять на низком уровне?
Если речь идёт о том чтобы себе представить, то мне кажется это невозможно. Ну то есть наверное возможно просто у меня представлялки нормальной не было, но не мне. Я, честно говоря, ни разу не встречал ни в книгах, ни на лекциях оптимальной аналогии или метафоры, которая позволяла бы представить. Потому что аналогии и метафоры это всегда упрощения, которые порождают вот такие дихотомии.
По-моему, объяснять это как-то кроме как через вероятности очень странно и неполноценно. А на вопрос как понять или представить вероятности я тоже не вижу ответа. Ну как бы берёшь такой вероятность, ок, профит. Наверное есть смысл почитать про волновую функцию, когерентность и вот это вот.
Поэтому про «эти две штуки» тоже не совсем понятно. Что за штуки? И если это те две штуки, что я думаю, то они всегда в двух ипостасях, но это не точно. А то щас придут местные квантовые оптики и пояснят мне, что я лошара.
Понимать по частям:)
Корпускулярно-волновой дуализм, например, в случае света проявляется в том, что свет демонстрирует как свойства потока частиц так и свойства волны.
В универе эти свойства так по частям на разных предметах и разбираются. Понять как мне кажется это до конца и не возможно. Можно только запомнить:)
Наверное, ты хочешь понять не костыль, изобретённый человеками, а свойства самого явления.
Тогда тебе нужно изучить больше моделей, в разных ситуациях, их достоинства, недостатки. В каких условиях они не работают.
Посмотри разные модели частицы. Волновой пакет, волны де-Бройля, кванты. Постарайся досканально разобраться в экспериментах.
Научпоп любит рассказывать по две щели, электрон и фотопластинку, на которой появляется интерференционная картинка. Но почему-то никогда не пишет, что картинка эта возникает после большого числа экспериментов, чисто статистически. А один конкретный электрон, пролетев через две щели, оставит на фотопластинке одну единственную точку. Впрочем, с одним единственным фотоном будет то же самое, но в школе об этом не рассказывают почему-то.
Если же углубляться в квантмех хоть чуть-чуть на уровень построения прогнозов (если я отпущу камень, то он начнет падать на землю с ускорением g), то одно лишь "понимание" практически никогда ничего не даёт и может ввести в заблуждение. В квантмехе надо всегда считать.
Рекомендую прочитать эту книгу.
Она довольно популярно объясняет, что такое КМ, начиная с основ.
P.S. по твоему вопросу там тоже есть ответы, довольно подробно про де Бройля и Бома, например.
Я когда-то учился в универе на физика и запомнил то, что просто у нас нет приборов, которые могут засечь-измерить "вещество" правильно. Мы либо видим что оно ведёт себя как частица в некоторых ситуациях. Но так же замечаем что может вести себя и как волна.
А потом нам взорвали мозг тем, что если разогнать теннисный мяч до скорости света, он тоже будет себя вести как волна...
Была каша в голове, прочитал цикл по квантмеху от Юдковского - каша стала гораздо более структурирована, рекомендую. В этом треде уже приводили ссылки на отдельные статьи оттуда, но из-за неортодоксальности подхода к изложению вырванные из общего фреймворка статьи не дают полной картины, кмк.
То что автор не является специалистом по квантмеху на мой взгляд есть плюс, так как позволяет think out of the box. В частности, обсуждается вопрос почему корпускулярно-волновой дуализм вызывает столько confusion у людей.
Если вкратце, то и волны, и частицы - это абстракции одной и той же картины распределения вероятностей, а на самом деле нет ни волн, ни частиц, а есть только квантовые поля, из которых и состоит реальность, а люди их для удобоваримости представляют как системы частиц/волн в зависимости от ситуации.
Мне помог вот этот цикл статей от Юдковского: https://www.lesswrong.com/lw/pc/quantum_explanations/
Он конечно тот еще физик, но читается интересно, в частности, заход там с того, что исторический метод обучения физике только вносит путаницу. В реальности нет ни частиц, ни волн, а есть многомерные векторные поля, некоторые паттерны в которых можно назвать "частицами", "волнами" or both в зависимости от ситуации и того что нам удобнее для представления в конкретный момент. Всякие "необычные" с бытовой точки зрения квантовые эффекты являются следствием законов комплексной арифметики, но так как люди слишком тупые чтоб думать в терминах таких вещей, приходится упрощать до частиц, волн, а в более сложных случаех остается заткнуться и считать.
📔Книги Девида Дойча и Макса Тегмарка хорошо помогают понять, что сейчас происходит в науке по квантовым делам. Без них же и не разобрать, что за колапсы и явления декогеренции происходят в комментах. Тред начинает резко задирать порог вхождения.
👍🏼Мне понравился простой ответ про модели @EduardSurov.
🧐Часть вопроса лежит в текущей несостоятельности традиции нашего языка. Не существует разделения на духовное и материальное. Например есть воздух, который мы не видим, но мы быстро ощутим его отсутствие. То же самое с WiFi.
🌍Из парадигмы ума кругозор становиться шире, если думать обо всём как об информационном феномене. По-крайней мере всё, что вызывает в нас эмоции - поступает в нас именно как информационный феномен.
🛸Также отмечу, что на низком уровне можно думать об этом так.
Мы часто встречаемся с лингвистическими парадоксами, когда даём слишком большие полномочия языку. Нужно помнить, что понятия вводяться определенными людьми для их целей и нужд. То есть само понятие "Корпускулярно-волновой дуализм" - это ссылка на тредик для учёных. Где название - это название, не предмет. И свойства предмета не переходят к названию. Теперь представьте, что добавилась ещё какая-то 1-3 функции у частицы и вы получите уже не дуализм, а триолизм-четвертолизм-пятиолизм. Но их не появляется, так как в самом названии зашит парадокс. Получается , чтобы ответить на вопрос автора - нужно найти точку входа, которая ложиться в общую картину его знаний. Однако вопрос может отпасть сам собой, если расширить знания общей информацией по смежным темам.
😱 Комментарий удален его автором...
В школе часто упрощают, чтобы детям было проще. И далее в универе, если вы учитесь не на физика, тоже особо не углубляются. Отсюда представление о атоме, фотоне, как о какой то круглой частице. Есть прикольный старый ролик, раскрывающий суть:
Хех, если углубиться в понятие "электрический ток", то там тоже очень много внезапного в стиле корпускулярно-волнового дуализма можно найти. ;)
Как пример: как вы думаете, какова линейная скорость движения электронов в простейшей электрической цепи постоянного тока ( aka бытовые "батарейка-лампочка-выключатель ") при комнатной температуре?
Ну я для себя в голове создал примерно такую модель. Свет состоит из частиц которые с большой частотой постоянно колеблятся пока летят. Это близко не пересекается с реальностью, но на просто бытовом уровне мне хватает :) я математик, а не физик