A hullám-részecske dualitás elve kvantumfizika úgy véli, hogy az anyag és a fény mind a hullámok, mind a részecskék viselkedését mutatják, a kísérlet körülményeitől függően. Ez összetett téma, de a legérdekesebb a fizikában.
Hullám-részecske-kettősség a fényben
Az 1600 - as években Christiaan Huygens és Isaac Newton versengő elméleteket javasolt a fény viselkedéséről. Huygens a fény hullámelméletét javasolta, míg Newton a fény „corpuscular” (részecske) elméletét javasolta. Huygens elméletének néhány kérdése volt a megfigyelés összeegyeztethetőségével kapcsolatban, és Newton presztízse támogatta az elmélet támogatását, így több mint egy évszázad alatt Newton elmélete volt a domináns.
A tizenkilencedik század elején komplikációk merültek fel a corpuscularis fényelmélettel kapcsolatban. fényelhajlás egyrészt megfigyelték, amelyet nem tudott megfelelően magyarázni. Thomas Young kettős hasított kísérlete nyilvánvaló hullám viselkedést eredményezett, és úgy tűnt, hogy szilárdan támogatja a fény hullám elméletét Newton részecske elmélete fölött.
A hullámoknak általában valamilyen közegen keresztül terjedniük kell. A Huygens által javasolt közeg volt világító éter (vagy általánosabb modern terminológiában, éter). Amikor James Clerk Maxwell számszerűsítette az egyenletek halmazát (a Maxwell törvényei vagy Maxwell egyenletei) megmagyarázni elektromágneses sugárzás (beleértve látható fény), mint a hullámok terjedése, éppen olyan étert feltételezett, mint a terjedési közeg, és előrejelzései összhangban voltak a kísérleti eredményekkel.
A hullámelmélet problémája az volt, hogy soha nem találtak ilyen étert. Nemcsak ez, hanem a csillagászati megfigyelések James Bradley 1720-ban történt csillagberberációja is azt mutatták, hogy az éternek mozgó Földhöz képest helyhez kötöttnek kell lennie. Az 1800-as évek során próbáltak közvetlenül észlelni az étert vagy annak mozgását, amely a híres csúcspontja volt Michelson-Morley kísérlet. Mindannyian nem tudták észlelni az étert, ami a huszadik század kezdete óriási vitát eredményezett. A fény hullám vagy részecske volt?
1905-ben Albert Einstein közzétette papírját a fotoelektromos hatás, amely szerint a fény diszkrét energiacsomagként utazik. A fotonban lévő energia a fény frekvenciájához kapcsolódott. Ezt az elméletet a következő néven ismerték el: fotonelmélet fény (bár a foton szó csak évekkel később lett kifejlesztve).
A fotonok esetében az éter már nem volt nélkülözhetetlen szaporodási eszköz, bár ez még mindig különös paradoxont hagyott a hullámok viselkedésének megfigyelésére. Még különösebbek voltak a kettős hasított kísérlet és a kvantumvariációk Compton hatás ami valószínűleg megerősítette a részecske értelmezését.
A kísérletek elvégzésével és a bizonyítékok összegyűjtésével a következmények gyorsan világossá és riasztóvá váltak:
A fény részecskeként és hullámként egyaránt működik, attól függően, hogy a kísérletet hogyan hajtják végre, és mikor figyelik meg.
Hullám-részecske dualitás az anyagban
Az a kérdés, hogy ez a kettősség megjelenik-e az anyagban is, a merészkkel foglalkozott de Broglie hipotézis, amely kiterjesztette Einstein munkáját az anyag megfigyelt hullámhosszának a lendületével való összekapcsolására. A kísérletek 1927-ben megerősítették a hipotézist, amelynek eredményeként 1929-ben Nobel-díjat nyertek de Broglie.
Csakúgy, mint a fény, úgy tűnt, hogy az anyag megfelelő körülmények között mind hullám-, mind részecske tulajdonságokkal rendelkezik. Nyilvánvaló, hogy a hatalmas tárgyak nagyon kicsi hullámhosszúsággal bírnak, valójában olyan kicsi, hogy meglehetõsen értelmetlen hullámakban gondolkodni róluk. Kisméretű tárgyak esetén azonban a hullámhossz megfigyelhető és jelentős lehet, amit az elektronokkal végzett kettős résű kísérlet igazol.
A hullám-részecske-kettősség jelentősége
A hullám-részecske-kettősség legfontosabb jelentése, hogy a fény és az anyag viselkedése mindenféle lehet ezt egy differenciálegyenlet használatával magyarázzuk, amely egy hullámfüggvényt ábrázol, általában az alakban a Schrodinger-egyenlet. Ez a képesség a valóság hullámok formájában történő leírására a kvantummechanika középpontjában áll.
A leggyakoribb értelmezés az, hogy a hullámfüggvény egy adott részecske egy adott ponton való megtalálásának valószínűségét képviseli. Ezek a valószínűségi egyenletek diffraktálhatnak, zavarhatnak és más hullámaszerű tulajdonságokat mutathatnak, így olyan végső valószínűségű hullámfüggvényt kapnak, amely ezeket a tulajdonságokat is bemutatja. A részecskék a valószínűségi törvények szerint oszlanak el, és ezért mutatják a hullám tulajdonságai. Más szavakkal, annak a valószínűsége, hogy a részecske bármilyen helyen található, egy hullám, de a részecske tényleges fizikai megjelenése nem.
Bár a matematika, bár bonyolult, pontos előrejelzéseket készít, ezen egyenletek fizikai jelentését sokkal nehezebb megérteni. A kvantumfizika vita kulcseleme a próba megmagyarázni, hogy mit jelent a hullámrészecske-kettősség "valójában". Számos értelmezés létezik ennek megmagyarázására, de mindegyiket ugyanaz a hullámagyenlet-kötés köti... és végül meg kell magyaráznia ugyanazokat a kísérleti megfigyeléseket.
Szerkesztette Anne Marie Helmenstine, Ph. D.