Apakah dualitas gelombang-partikel itu? Ini adalah karakteristik foton dan partikel subatomik lainnya yang berperilaku seperti gelombang dalam beberapa kondisi dan seperti partikel dalam kondisi lain.
Dualitas gelombang-partikel materi dan cahaya merupakan bagian penting dari mekanika kuantum, karena ini menunjukkan fakta bahwa konsep seperti "gelombang" dan "partikel", yang bekerja dengan baik dalam mekanika klasik, tidak cukup untuk penjelasan tentang perilaku beberapa objek kuantum.
Sifat ganda cahaya mendapat pengakuan dalam fisika setelah tahun 1905, ketika Albert Einstein menggambarkan perilaku cahaya menggunakan foton, yang digambarkan sebagai partikel. Kemudian Einstein menerbitkan relativitas khusus yang kurang terkenal, yang menggambarkan cahaya sebagai perilaku gelombang.
Partikel menunjukkan perilaku ganda
Yang terbaik dari semuanya, prinsip dualitas gelombang-partikeldiamati dalam perilaku foton. Ini adalah objek paling ringan dan terkecil yang menunjukkan perilaku ganda. Di antara objek yang lebih besar, seperti partikel elementer, atom, dan bahkan molekul, elemen dualitas gelombang-partikel juga dapat diamati, tetapi objek yang lebih besar berperilaku seperti gelombang yang sangat pendek, sehingga sangat sulit untuk diamati. Biasanya, konsep yang digunakan dalam mekanika klasik cukup untuk menggambarkan perilaku partikel yang lebih besar atau makroskopik.
Bukti dualitas gelombang-partikel
Orang telah memikirkan tentang sifat cahaya dan materi selama berabad-abad dan bahkan ribuan tahun. Sampai baru-baru ini, fisikawan percaya bahwa karakteristik cahaya dan materi harus jelas: cahaya dapat berupa aliran partikel atau gelombang, seperti materi, terdiri dari partikel individu yang sepenuhnya mematuhi hukum mekanika Newton, atau menjadi terus menerus, media tak terpisahkan.
Awalnya, di zaman modern, teori tentang perilaku cahaya sebagai aliran partikel individu, yaitu teori sel, sangat populer. Newton sendiri menganutnya. Namun, fisikawan kemudian seperti Huygens, Fresnel dan Maxwell menyimpulkan bahwa cahaya adalah gelombang. Mereka menjelaskan perilaku cahaya dengan osilasi medan elektromagnetik, dan interaksi cahaya dan materi dalam hal ini termasuk dalam penjelasan teori medan klasik.
Namun, pada awal abad kedua puluh, fisikawan dihadapkan pada fakta bahwa baik penjelasan pertama maupun kedua tidak dapatsepenuhnya menutupi area perilaku cahaya dalam berbagai kondisi dan interaksi.
Sejak itu, banyak eksperimen telah membuktikan dualitas perilaku beberapa partikel. Namun, kemunculan dan penerimaan dualitas gelombang-partikel dari sifat-sifat objek kuantum terutama dipengaruhi oleh eksperimen pertama yang paling awal, yang mengakhiri perdebatan tentang sifat perilaku cahaya.
Efek fotolistrik: cahaya terdiri dari partikel
Efek fotolistrik, juga disebut efek fotolistrik, adalah proses interaksi cahaya (atau radiasi elektromagnetik lainnya) dengan materi, sebagai akibatnya energi partikel cahaya ditransfer ke partikel materi. Selama mempelajari efek fotolistrik, perilaku fotoelektron tidak dapat dijelaskan oleh teori elektromagnetik klasik.
Heinrich Hertz mencatat pada tahun 1887 bahwa sinar ultraviolet yang menyinari elektroda meningkatkan kemampuannya untuk menciptakan percikan listrik. Einstein pada tahun 1905 menjelaskan efek fotolistrik dengan fakta bahwa cahaya diserap dan dipancarkan oleh bagian kuantum tertentu, yang awalnya disebut kuanta cahaya, dan kemudian menjulukinya foton.
Sebuah eksperimen oleh Robert Milliken pada tahun 1921 mengkonfirmasi penilaian Einstein dan mengarah pada fakta bahwa yang terakhir menerima Hadiah Nobel untuk penemuan efek fotolistrik, dan Millikan sendiri menerima Hadiah Nobel pada tahun 1923 untuk karyanya pada partikel elementer dan studi tentang efek fotolistrik.
Percobaan Davisson-Jermer: cahaya adalah gelombang
Pengalaman Davisson - Germer dikonfirmasihipotesis de Broglie tentang dualitas gelombang-partikel cahaya dan menjadi dasar untuk merumuskan hukum mekanika kuantum.
Kedua fisikawan mempelajari pantulan elektron dari kristal tunggal nikel. Pengaturan, terletak di ruang hampa, terdiri dari tanah kristal tunggal nikel pada sudut tertentu. Seberkas elektron monokromatik diarahkan tegak lurus terhadap bidang potong.
Eksperimen telah menunjukkan bahwa sebagai hasil refleksi, elektron tersebar sangat selektif, yaitu, di semua sinar yang dipantulkan, terlepas dari kecepatan dan sudut, intensitas maksimum dan minimum diamati. Dengan demikian, Davisson dan Germer secara eksperimental mengkonfirmasi keberadaan sifat gelombang dalam partikel.
Pada tahun 1948, fisikawan Soviet V. A. Fabrikant secara eksperimental mengkonfirmasi bahwa fungsi gelombang tidak hanya melekat pada aliran elektron, tetapi juga pada setiap elektron secara terpisah.
Percobaan Jung dengan dua celah
Eksperimen praktis Thomas Young dengan dua celah adalah demonstrasi bahwa cahaya dan materi dapat menunjukkan karakteristik gelombang dan partikel.
Eksperimen Jung secara praktis menunjukkan sifat dualitas gelombang-partikel, meskipun faktanya pertama kali dilakukan pada awal abad ke-19, bahkan sebelum munculnya teori dualisme.
Inti dari eksperimen ini adalah sebagai berikut: sumber cahaya (misalnya, sinar laser) diarahkan ke pelat di mana dua slot paralel dibuat. Cahaya yang melewati celah dipantulkan pada layar di belakang pelat.
Sifat gelombang cahaya menyebabkan gelombang cahaya melewati celah kebercampur, menghasilkan garis-garis terang dan gelap pada layar, yang tidak akan terjadi jika cahaya berperilaku murni seperti partikel. Namun, layar menyerap dan memantulkan cahaya, dan efek fotolistrik adalah bukti sifat sel dari cahaya.
Apa itu dualitas gelombang-partikel materi?
Pertanyaan apakah materi dapat berperilaku dalam dualitas yang sama seperti cahaya, de Broglie menjawab. Dia memiliki hipotesis yang berani bahwa, dalam kondisi tertentu dan tergantung pada eksperimen, tidak hanya foton, tetapi juga elektron dapat menunjukkan dualitas gelombang-partikel. Broglie mengembangkan gagasannya tentang gelombang peluang tidak hanya foton cahaya, tetapi juga partikel makro pada tahun 1924.
Ketika hipotesis terbukti menggunakan percobaan Davisson-Germer dan mengulangi percobaan celah ganda Young (dengan elektron, bukan foton), de Broglie menerima Hadiah Nobel (1929).
Ternyata materi juga dapat berperilaku seperti gelombang klasik dalam keadaan yang tepat. Tentu saja, objek besar menciptakan gelombang yang sangat pendek sehingga tidak ada artinya untuk diamati, tetapi objek yang lebih kecil, seperti atom atau bahkan molekul, menunjukkan panjang gelombang yang nyata, yang sangat penting untuk mekanika kuantum, yang secara praktis dibangun di atas fungsi gelombang.
Arti dualitas gelombang-partikel
Arti utama dari konsep dualitas gelombang-partikel adalah bahwa perilaku radiasi elektromagnetik dan materi dapat dijelaskan menggunakan persamaan diferensial,yang mewakili fungsi gelombang. Biasanya ini adalah persamaan Schrödinger. Kemampuan untuk menggambarkan realitas menggunakan fungsi gelombang adalah inti dari mekanika kuantum.
Jawaban paling umum untuk pertanyaan tentang dualitas gelombang-partikel adalah bahwa fungsi gelombang mewakili probabilitas menemukan partikel tertentu di tempat tertentu. Dengan kata lain, probabilitas sebuah partikel berada di lokasi yang diprediksi membuatnya menjadi gelombang, tetapi penampilan fisik dan bentuknya tidak.
Apa itu dualitas gelombang-partikel?
Sementara matematika, meskipun dengan cara yang sangat kompleks, membuat prediksi akurat berdasarkan persamaan diferensial, arti persamaan ini untuk fisika kuantum jauh lebih sulit untuk dipahami dan dijelaskan. Upaya untuk menjelaskan apa itu dualitas gelombang-partikel masih menjadi pusat perdebatan dalam fisika kuantum.
Signifikansi praktis dualitas gelombang-partikel juga terletak pada kenyataan bahwa setiap fisikawan harus belajar memahami realitas dengan cara yang sangat menarik, ketika memikirkan hampir semua objek dengan cara biasa tidak lagi cukup untuk persepsi yang memadai dari kenyataan.
