Dualizm korpuskularno-falowy – cecha obiektów kwantowych (np. fotonów czy elektronów) polegająca na przejawianiu, w zależności od sytuacji, właściwości falowych (dyfrakcja, interferencja) lub korpuskularnych (dobrze określona lokalizacja, pęd)[1][2].
Zgodnie z mechaniką kwantową cała materia charakteryzuje się takim dualizmem, chociaż uwidacznia się on bezpośrednio tylko w bardzo subtelnych eksperymentach wykonywanych na atomach, fotonach, czy innych obiektach kwantowych.
Dualizm korpuskularno-falowy jest ściśle związany z falami de Broglie’a – koncepcją, która przyczyniła się do powstania mechaniki kwantowej, a w szczególności do wyprowadzenia równania Schrödingera.
Równanie:
![{\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ea61dba4f570d474341b6f5ff22b0f26f52c1a87)
gdzie
jest stałą Plancka, łączy wielkości falowe (długość fali
) z korpuskularnymi (pęd
).
Dualizm korpuskularno-falowy w sformalizowanym języku mechaniki kwantowej można opisać posługując się równaniem Schrödingera:
![{\displaystyle H\psi ({\vec {x}},t)=i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\psi ({\vec {x}},t),}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dc0300ea3aef496ebb68ec9c35f5af64a2615339)
gdzie:
– jednostka urojona,
– stała Plancka podzielona przez 2π,
– operator różniczkowy – hamiltonian opisujący całkowitą energię analizowanej cząstki,
– funkcja falowa analizowanej cząstki (funkcje falowe są funkcjami zespolonymi), opisuje możliwe stany czyste danej cząstki kwantowej.
Otrzymana w wyniku rozwiązania tego równania funkcja falowa (stąd „falowość”), a dokładniej kwadrat modułu funkcji falowej
opisuje prawdopodobieństwo wystąpienia danej cząstki w określonym miejscu
przestrzeni w objętości
Prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w całej przestrzeni jest równe 1 (jesteśmy pewni, że gdzieś jest). Stąd
![{\displaystyle \int d^{3}x|\psi |^{2}=1.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/15366ebcb5fc01f9491f8bcdcfa56357439f4156)
Dokonując pomiaru położenia cząstki zawsze znajdujemy ją w przybliżeniu w konkretnym miejscu w przestrzeni (rejestruje ją konkretny detektor)[3]. W przypadku eksperymentów z podwójną szczeliną uzyskuje się interferencję bądź nie w zależności od tego czy obiekt przejawia właściwości falowe czy cząsteczkowe. Właściwości cząsteczkowe są obserwowane, gdy w szczelinach będzie umieszczony detektor, wykrywający przez którą szczelinę się poruszał obiekt[4]. Przyczyną tego jest istnienie splątania kwantowego i dostępność informacji o obserwablach[5][6]. Po detekcji cząstki nieoznaczoność jej pędu stopniowo wzrasta, przez co maleje widoczność prążków interferencyjnych[7].
Największe układy, dla których zaobserwowano dualizm korpuskularno-falowy miały 2000 atomów[8].
- ↑ W niektórych eksperymentach cząstka elementarna (tu: foton) jest w superpozycji stanu cząsteczkowego i stanu falowego: Jian-ShunJ.S. Tang Jian-ShunJ.S. i inni, Realization of quantum Wheeler’s delayed-choice experiment, „Nature Photonics”, 6 (9), 2012, s. 600–604, DOI: 10.1038/nphoton.2012.179, ISSN 1749-4885 [dostęp 2018-08-13] (ang.). i Quantum wave–particle superposition in a delayed-choice experiment
- ↑ Dualizm korpuskularno-falowy, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-22] .
- ↑ Przed pomiarami trajektoria cząstki jest superpozycją wszystkich dozwolonych dróg: Measuring the deviation from the superposition principle in interference experiments, Exotic looped trajectories in double-slit experiments with matter waves, Exotic looped trajectories of photons in three-slit interference.
- ↑ Możliwe jest jednak uzyskanie interferencji i informacji o „wyborze” szczeliny w przypadku, gdy foton jest superpozycją dwóch wektorów falowych (Menzel 2012), w przypadku zastosowania fair sampling (EliotE. Bolduc EliotE. i inni, Fair sampling perspective on an apparent violation of duality, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 111 (34), 2014, s. 12337–12341, DOI: 10.1073/pnas.1400106111, PMID: 25114237, PMCID: PMC4151752 [dostęp 2018-08-13] . i JonathanJ. Leach JonathanJ. i inni, The duality principle in the presence of postselection, „Scientific Reports”, 6 (1), 2016, DOI: 10.1038/srep19944, ISSN 2045-2322, PMID: 26821619, PMCID: PMC4731800 [dostęp 2018-08-13] (ang.).) i słabych pomiarów (FenghuaF. Qi FenghuaF. i inni, Towards simultaneous observation of path and interference of a single photon in a modified Mach–Zehnder interferometer, „Photonics Research”, 8 (4), 2020, s. 622, DOI: 10.1364/PRJ.386774, ISSN 2327-9125 [dostęp 2020-05-01] (ang.).). Wykorzystując splątanie kwantowe można również zaobserwować nie niszcząc interferencji czy foton przeszedł przez którąkolwiek szczelinę, ale nie przez którą konkretnie (A.J.A.J. Paige A.J.A.J. i inni, Quantum Delocalised-Interactions, „arXiv [quant-ph]”, 30 kwietnia 2020, arXiv:2004.14658 [dostęp 2020-05-01] .).
- ↑ RalfR. Menzel RalfR. i inni, Wave-particle dualism and complementarity unraveled by a different mode, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 109 (24), 2012, s. 9314–9319, DOI: 10.1073/pnas.1201271109, PMID: 22628561, PMCID: PMC3386133 [dostęp 2018-08-13] .
- ↑ Craig S.C.S. Lent Craig S.C.S., Blind witnesses quench quantum interference without transfer of which-path information, „arXiv [quant-ph]”, 13 stycznia 2020, arXiv:2001.04403 [dostęp 2020-01-18] .
- ↑ YaY. Xiao YaY. i inni, Observing momentum disturbance in double-slit "which-way" measurements, „arXiv [quant-ph] + Science Advances”, 5 (6), 2018, eaav9547, DOI: 10.1126/sciadv.aav9547, arXiv:1805.02059 [dostęp 2018-08-14] .
- ↑ Yaakov Y.Y.Y. Fein Yaakov Y.Y.Y. i inni, Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa, „Nature Physics”, 2019, DOI: 10.1038/s41567-019-0663-9, ISSN 1745-2473 [dostęp 2019-09-25] (ang.).