Princip dualnosti valova - čestica kvantna fizika drži da tvar i svjetlost pokazuju ponašanje i valova i čestica, ovisno o okolnostima eksperimenta. To je složena tema, ali jedna od najintrigantnijih u fizici.
Dvojnost valova i čestica u svjetlu
U 1600-im godinama Christiaan Huygens i Isaac Newton predložene konkurentske teorije o ponašanju svjetla. Huygens je predložio valnu teoriju svjetlosti, dok je Newtonova bila "korpuskularna" (čestica) teorija svjetlosti. Huygensova teorija imala je problema s usklađivanjem promatranja, a Newtonov je prestiž pružio potporu njegovoj teoriji tako da je više od jednog stoljeća Newtonova teorija bila dominantna.
U ranom devetnaestom stoljeću pojavile su se komplikacije za korpuskularnu teoriju svjetlosti. difrakcija kao jednu stvar, kojoj je to teško objasnio. Eksperiment s dvostrukim prorezom Thomas Young rezultiralo je očiglednim ponašanjem valova i činilo se da čvrsto podupire valnu teoriju svjetlosti nad Newtonovom teorijom čestica.
Val se obično mora širiti kroz nekakav medij. Medij koji je predložio Huygens bio je
luminerni eter (ili u uobičajenoj modernoj terminologiji, eter). Kada James Clerk Maxwell kvantificirao skup jednadžbi (nazvanih Maxwellovi zakoni ili Maxwellove jednadžbe) objasniti elektromagnetska radijacija (uključujući vidljivo svjetlo) kao širenje valova pretpostavljao je upravo takav eter kao medij širenja, a njegova su predviđanja bila u skladu s eksperimentalnim rezultatima.Problem s teorijom valova bio je u tome što nikad nije pronađen takav eter. I ne samo to, već su astronomska promatranja u zvjezdanoj aberaciji Jamesa Bradleya iz 1720. godine pokazala da bi eter trebao biti nepomičan u odnosu na Zemlju koja se kreće. Tijekom 1800-ih pokušali su se izravno otkriti eter ili njegov pokret, a kulminiralo je poznato Michelson-Morley eksperiment. Svi oni zapravo nisu uspjeli otkriti eter, što je rezultiralo velikom raspravom kako je počelo dvadeseto stoljeće. Je li svjetlost bio val ili čestica?
1905. god. Albert Einstein objavio svoj rad da objasni fotoelektrični učinak, koji je predložio da svjetlost putuje kao diskretni snopovi energije. Energija sadržana u fotonu bila je povezana s frekvencijom svjetlosti. Ova teorija postala je poznata i kao teorija fotona svjetlosti (iako riječ foton nije skovana tek godinama kasnije).
Kod fotona, eter više nije bio bitan kao sredstvo širenja, iako je i dalje ostavljao neobičan paradoks zašto je opaženo ponašanje valova. Još su osebujnije bile kvantne varijacije pokusa s dvostrukim prorezom i eksperimenta Compton efekt za koje se činilo da potvrđuju interpretaciju čestica.
Kako su se obavljali eksperimenti i prikupljali dokazi, implikacije su brzo postale jasne i alarmantne:
Svjetlo djeluje i kao čestica i kao val, ovisno o načinu provođenja eksperimenta i o opažanjima.
Dualnost valova i čestica u materiji
Pitanje da li se takva dualnost također pokazivala u materiji rješavalo je hrabro de Broglieova hipoteza, što je produžilo Einsteinovo djelo na povezivanju promatrane valne duljine materije s njenim zamahom. Eksperimenti su potvrdili hipotezu 1927., što je rezultiralo Nobelovom nagradom za 1929 de Broglie.
Baš poput svjetlosti, činilo se da ta tvar pokazuje i svojstva valova i čestica pod pravim okolnostima. Očito, masivni predmeti pokazuju vrlo male valne duljine, toliko male da je besmisleno razmišljati o njima na valni način. No za male objekte valna duljina može biti vidljiva i značajna, o čemu svjedoči eksperiment dvostrukog proreza s elektronima.
Značaj dualnosti valova i čestica
Glavni značaj dualnosti valova - čestica može biti svako ponašanje svjetla i materije objasnjeno uporabom diferencijalne jednadžbe koja predstavlja valnu funkciju, općenito u obliku od Schrodingerova jednadžba. Ova sposobnost opisivanja stvarnosti u obliku valova u središtu je kvantne mehanike.
Najčešća interpretacija je da valna funkcija predstavlja vjerojatnost pronalaska određene čestice u određenoj točki. Te jednadžbe vjerojatnosti mogu difraktirati, interferirati i pokazivati druga svojstva slična valovima, što rezultira konačnom vjerojatnom valnom funkcijom koja pokazuje i ta svojstva. Čestice se na kraju distribuiraju prema zakonima vjerojatnosti i stoga pokazuju valna svojstva. Drugim riječima, vjerojatnost da se čestica nalazi na bilo kojem mjestu je val, ali stvarni fizički izgled te čestice nije.
Iako matematika, iako komplicirana, daje točne predviđanja, fizičko značenje ovih jednadžbi je mnogo teže shvatiti. Pokušaj da se objasni što dualnost valnih čestica "zapravo znači" ključna je točka rasprave u kvantnoj fizici. Postoje mnoge interpretacije koje pokušavaju objasniti, ali sve su povezane istim valnim jednadžbama... i, u konačnici, moraju objasniti ista eksperimentalna opažanja.
Uredio Anne Marie Helmenstine, dr. Sc.