Что такое материальные волны?

Волны материи, также называемые волнами де Бройля, являются волнообразной природой всей материи, включая атомы, составляющие ваше тело. Одним из первых и наиболее важных открытий квантовой физики является то, что электроны имеют двойную природу волны-частицы. Вскоре стало очевидным, что вся материя имеет эту двойственную природу, но поскольку обычная материя обладает высоким импульсом по отношению к электронам, длина волны материальных волн очень мала и в большинстве случаев едва заметна. Например, длина волны вещества, составляющего человека, составляет порядка 10 ^{-35 метров} , что намного меньше, чем можно наблюдать с использованием современных технологий измерения.

Концепция материальных волн была впервые разъяснена французским физиком Луи де Бройлем, который расширял ранние теории, предложенные Альбертом Эйнштейном, Максом Планком и Нилсом Бором. Бор прежде всего изучал квантовое поведение атомов водорода, тогда как де Бройль пытался расширить эти идеи, чтобы определить уравнение длины волны для всей материи. Де Бройль выдвинул теорию и представил ее в своей докторской диссертации 1924 года, за которую он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1929 году. Это был первый случай, когда Нобелевская премия была присуждена за докторскую диссертацию.

Уравнения, известные как соотношения де Бройля, описывают двойственную волново-частичную природу всей материи. Эти соотношения утверждают, что длина волны частицы обратно пропорциональна ее импульсу (масса-скорость), а ее частота пропорциональна ее кинетической энергии, которая является зависящей от кадра (относительной) величиной. Таким образом, частицы с низким импульсом, такие как электроны при комнатной температуре, имеют длину волны де Бройля около 8 нанометров. Частицы с еще более низким импульсом, такие как атомы гелия при температурах всего в несколько нанокельвинов, могут иметь материальные волны с длинами волн до нескольких микрон. В таких необычных условиях реальности квантового мира почти поднимаются в макромасштаб.

Теории материальных волн де Бройля были подтверждены в 1927 году, когда ученые Bell Labs Лестер Джермер и Клинтон Дэвиссон выпустили медленно движущиеся электроны на кристаллическую никелевую мишень. Полученная дифракционная картина продемонстрировала волнообразные характеристики электронов, аналогичные тем, которые, как известно, отображаются фотонами, такими как рентгеновские лучи. Волны вещества могли наблюдаться только в этом случае, потому что электроны, использованные для их производства, имели очень низкий импульс. С 1927 года волнообразная природа различных других элементарных частиц была продемонстрирована эмпирически.