Светлината може да бъде едновременно и вълна и сноп от частици

Джоузеф Томсън печели Нобелова награда през 1906 г. за откритието си, че електроните са частици. Въпреки това по-късно синът му Джордж на свой ред печели Нобелова награда през 1937 г., доказвайки, че електроните са вълни.
Кой от двамата е бил прав? 

Отговорът е и двамата. 

Тази така наречена двойственост вълна-частица е крайъгълен камък на квантовата физика. Прилага се както за светлината, така и за електроните. Понякога си струва да мислим за светлината като за електромагнитна вълна, но в други случаи е по-полезно да си я представим под формата на частици, наречени фотони.

Обстоятелството, че светлината е едновременно и вълна и сноп от частици, е известно като корпускулярно-вълнова дуалност. Това означава, че светлината може да се държи като вълна в някои ситуации и като частица в други.

Вълновите свойства на светлината се проявяват в нейното разпространение, отражение, пречупване и дифракция. Светлината се разпространява като електромагнитна вълна, която се състои от трептения на електрическо и магнитно поле. Тези трептения се разпространяват във всички посоки със скорост от 299 792 458 м/с във вакуум.

Свойствата на светлината като сноп от частици се проявяват в нейното взаимодействие с материята. Светлината може да бъде погълната, отразена или излъчена от атоми и молекули. Когато светлината се погълне от атом, тя може да отдаде своята енергия на електрона, който ще премине в по-високо енергийно ниво. Когато светлината се отразява от повърхност, тя променя посоката си. Когато пък се излъчва от атом, тя се генерира от преход на електрон от по-високо енергийно ниво към по-ниско енергийно ниво.

Корпускулярно-вълновата дуалност на светлината е едно от най-важните открития в квантовата механика. То е основна част от нашето разбиране за природата на светлината и материята.
Някои хора намират корпускулярно-вълновата дуалност на светлината за парадоксална. Как може нещо да бъде едновременно вълна и частица? Няма еднозначен отговор на този въпрос. Корпускулярно-вълновата дуалност е просто едно от многото странни и загадъчни явления, които се наблюдават в квантовия свят.

Един обект може да бъде на две места едновременно

Двойствеността вълна-частица е пример за суперпозиция. Тоест, квантов обект, съществуващ в множество състояния едновременно. Един електрон, например, е и „тук“, и „там“ едновременно. Само след като направим експеримент, за да разберем къде е, се установява дали е на едното или на другото място.

Това прави квантовата физика изцяло свързана с вероятностите. Можем да кажем в какво състояние е най-вероятно да се намира даден обект само след като го погледнем. Тези шансове са капсулирани в математическа единица, наречена вълнова функция. Твърди се, че извършването на наблюдение „свива“ вълновата функция, унищожавайки суперпозицията и принуждавайки обекта да влезе само в едно от многото възможни състояния.

Тази идея стои зад известния котешки мисловен експеримент на Шрьодингер. Съдбата на котка в запечатана кутия е свързана с квантово устройство. Тъй като устройството съществува и в двете състояния, докато не се направи измерване, котката е едновременно и жива и мъртва, докато не погледнем какво всъщност се случва.

Квантовата физика допуска един обект да бъде едновременно на две места, тъй като в квантовия свят законите на физиката са много различни от тези в макросвета. В квантовия свят обектите могат да бъдат в свръхпозиция, което означава, че те могат да съществуват в две или повече състояния едновременно.
Това явление се нарича суперпозиция. Тя се наблюдава при много различни квантови обекти, включително електрони, фотони и атоми.

Един от най-известните експерименти, които демонстрират суперпозицията, е експериментът на двойния процеп. В този експеримент електрони се изстрелват към два процепа в екран. Ако електроните се движеха като частици, те биха преминали през един от процепите и биха оставили две отделни следи на екрана. В действителност обаче, електроните преминават през двата процепа едновременно. Това означава, че електроните трябва да бъдат в свъхпозиция, за да бъдат на две места едновременно.

Суперпозицията е едно от най-необичайните явления в квантовата физика. Тя е в противоречие с нашето интуитивно разбиране за света. Въпреки това, тя е добре установено явление, което е било наблюдавано в много различни експерименти и дори намира практически приложения, като например в квантовите компютри. Те използват суперпозицията за извършване на изчисления, които са много по-бързи от тези, които могат да бъдат извършени от традиционните компютри.

Квантовите комуникации също използват суперпозицията за изпращане на информация, която е защитена от подслушване. А също така и квантовите сензори използват суперпозицията за откриване на неща, които са твърде малки или твърде слаби, за да бъдат открити с традиционни сензори.

Суперпозицията всъщност е едно доста солидно явление, което има потенциал да революционизира много области на науката и технологиите.

Без квантовата физика Слънцето нямаше да свети

Слънцето произвежда своята енергия чрез процес, наречен ядрен синтез. Това включва два протона – положително заредените частици в атома – които се съединяват. Еднаквите им заряди обаче ги карат да се отблъскват, точно като два северни полюса на магнит. Физиците наричат това бариера на Кулон и тя е като стена между двата протона.

Цялата статия, както и много други, можете да прочетете в новия Брой 169 на списанието.