Våg-partikel-dualitet

Våg-partikel-dualiteten är kanske ett av de mest förvirrande begreppen inom fysiken, eftersom det är så olikt allt vi ser i den vanliga världen.

Fysiker som studerade ljus på 1700- och 1800-talen hade en diskussion om huruvida ljuset bestod av partiklar eller vågor. Ljus verkar göra både och. Ibland verkar ljuset bara gå i en rak linje, som om det vore gjort av partiklar. Men andra experiment visar att ljuset har en frekvens och en våglängd, precis som en ljudvåg eller en vattenvåg. Fram till 1900-talet trodde de flesta fysiker att ljuset var antingen det ena eller det andra, och att forskarna på andra sidan av argumentet helt enkelt hade fel.

Nuvarande situation

Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton och Niels Bohr arbetade med detta problem. Den nuvarande vetenskapliga teorin är att alla partiklar agerar både som vågor och som partiklar. Detta har bekräftats för elementarpartiklar och för sammansatta partiklar som atomer och molekyler. För makroskopiska partiklar kan vågegenskaperna vanligtvis inte upptäckas på grund av deras extremt korta våglängder.

Experiment

År 1909 bestämde sig en forskare vid namn Geoffrey Taylor för att han en gång för alla skulle lösa denna fråga. Han lånade ett experiment som tidigare uppfunnits av Thomas Young, där man lät ljuset lysa genom två små hål precis bredvid varandra. När starkt ljus sken genom dessa två små hål skapades ett interferensmönster som tycktes visa att ljuset faktiskt var en våg.

Taylors idé var att fotografera ljuset som kom ut ur hålen med en speciell kamera som var ovanligt känslig för ljus. När starkt ljus sken genom hålen visade fotot ett interferensmönster, precis som Young visat tidigare. Taylor sänkte sedan ljuset till en mycket svag nivå. När ljuset var tillräckligt svagt visade Taylors foton små punktljus som spreds ut ur hålen. Detta verkade visa att ljuset faktiskt var en partikel. Om Taylor lät det svaga ljuset lysa genom hålen tillräckligt länge fyllde punkterna så småningom upp fotot för att återigen skapa ett interferensmönster. Detta visade att ljuset på något sätt var både en våg och en partikel.

För att göra saken ännu mer förvirrande föreslog Louis de Broglie att materien kunde agera på samma sätt. Forskarna utförde sedan samma experiment med elektroner och fann att även elektroner på något sätt är både partiklar och vågor. Elektroner kan användas för att utföra Youngs dubbelspaltsexperiment.

I dag har dessa experiment utförts på så många olika sätt av så många olika personer att forskarna helt enkelt accepterar att både materia och ljus på något sätt är både vågor och partiklar. Forskarna är fortfarande osäkra på hur detta kan vara möjligt, men de är helt säkra på att det måste vara sant. Även om det verkar omöjligt att förstå hur något kan vara både en våg och en partikel har forskarna ett antal ekvationer för att beskriva dessa saker som har variabler för både våglängd (en vågegenskap) och rörelsemängd (en partikelegenskap). Denna skenbara omöjlighet kallas våg-partikel-dualiteten.

Grundläggande teori

Våg-partikel-dualiteten innebär att alla partiklar har både våg- och partikelegenskaper. Detta är ett centralt begrepp inom kvantmekaniken. Klassiska begrepp som "partikel" och "våg" beskriver inte fullt ut beteendet hos objekt på kvantskala.

Partiklar som vågor

En elektron har en våglängd som kallas "de Broglie-våglängd". Den kan beräknas med hjälp av ekvationen

λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}} $\lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}$

λ D {\displaystyle \lambda _{D}} $\lambda _{D}$ är de Broglie-våglängden.

h {\displaystyle h} $h$ är Plancks konstant.

ρ {\displaystyle \rho } $\rho$ är partikelns rörelsemängd.

Detta gav upphov till idén att elektroner i atomer uppvisar ett mönster av stående vågor.

Vågor som partiklar

Den fotoelektriska effekten visar att en ljusfoton som har tillräckligt mycket energi (tillräckligt hög frekvens) kan få en elektron att frigöras från en metalls yta. Elektroner kan i detta fall kallas fotoelektroner.