Κυματοσωματιδιακή δυαδικότητα

Ο Max Planck, ο Albert Einstein, ο Louis de Broglie, ο Arthur Compton, ο Niels Bohr εργάστηκαν πάνω σε αυτό το πρόβλημα. Η τρέχουσα επιστημονική θεωρία είναι ότι όλα τα σωματίδια δρουν τόσο σαν κύματα όσο και σαν σωματίδια. Αυτό έχει επαληθευτεί για στοιχειώδη σωματίδια και για σύνθετα σωματίδια όπως τα άτομα και τα μόρια. Για τα μακροσκοπικά σωματίδια, λόγω των εξαιρετικά μικρών μηκών κύματος, οι ιδιότητες των κυμάτων συνήθως δεν μπορούν να ανιχνευθούν.

Το 1909, ένας επιστήμονας ονόματι Τζέφρι Τέιλορ αποφάσισε ότι επρόκειτο να διευθετήσει αυτό το επιχείρημα μια για πάντα. Δανείστηκε ένα πείραμα που είχε εφεύρει νωρίτερα ο Τόμας Γιανγκ, όπου το φως έπεφτε μέσα από δύο μικρές τρύπες ακριβώς η μία δίπλα στην άλλη. Όταν φωτεινό φως έπεφτε μέσα από αυτές τις δύο μικρές τρύπες, δημιουργούσε ένα μοτίβο παρεμβολής που φαινόταν να δείχνει ότι το φως ήταν στην πραγματικότητα ένα κύμα.

Η ιδέα του Taylor ήταν να τραβήξει μια φωτογραφία του φωτός που έβγαινε από τις τρύπες με μια ειδική φωτογραφική μηχανή που ήταν ασυνήθιστα ευαίσθητη στο φως. Όταν φωτεινό φως έπεφτε μέσα από τις οπές, η φωτογραφία έδειχνε ένα μοτίβο παρεμβολής, όπως ακριβώς είχε δείξει ο Γιανγκ νωρίτερα. Στη συνέχεια, ο Τέιλορ μείωσε το φως σε πολύ χαμηλό επίπεδο. Όταν το φως ήταν αρκετά αμυδρό, οι φωτογραφίες του Τέιλορ έδειχναν μικροσκοπικές κουκίδες φωτός να διασκορπίζονται από τις οπές. Αυτό φάνηκε να δείχνει ότι το φως ήταν στην πραγματικότητα ένα σωματίδιο. Αν ο Τέιλορ άφηνε το αμυδρό φως να λάμπει μέσα από τις οπές για αρκετή ώρα, οι κουκκίδες τελικά γέμιζαν τη φωτογραφία και δημιουργούσαν ξανά ένα μοτίβο παρεμβολής. Αυτό έδειξε ότι το φως ήταν κατά κάποιο τρόπο και κύμα και σωματίδιο.

Για να γίνουν τα πράγματα ακόμη πιο μπερδεμένα, ο Louis de Broglie πρότεινε ότι η ύλη μπορεί να ενεργεί με τον ίδιο τρόπο. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν τα ίδια πειράματα με ηλεκτρόνια και διαπίστωσαν ότι και τα ηλεκτρόνια είναι κατά κάποιο τρόπο τόσο σωματίδια όσο και κύματα. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να γίνει το πείραμα διπλής σχισμής του Young.

Σήμερα, αυτά τα πειράματα έχουν γίνει με τόσους πολλούς διαφορετικούς τρόπους από τόσους πολλούς διαφορετικούς ανθρώπους, ώστε οι επιστήμονες απλά αποδέχονται ότι τόσο η ύλη όσο και το φως είναι κατά κάποιο τρόπο τόσο κύματα όσο και σωματίδια. Οι επιστήμονες δεν είναι ακόμη σίγουροι για το πώς μπορεί να συμβαίνει αυτό, αλλά είναι αρκετά σίγουροι ότι πρέπει να είναι αλήθεια. Αν και φαίνεται αδύνατο να καταλάβουμε πώς μπορεί κάτι να είναι ταυτόχρονα κύμα και σωματίδιο, οι επιστήμονες έχουν μια σειρά εξισώσεων για την περιγραφή αυτών των πραγμάτων που έχουν μεταβλητές τόσο για το μήκος κύματος (μια ιδιότητα κύματος) όσο και για την ορμή (μια ιδιότητα σωματιδίου). Αυτή η φαινομενική αδυναμία αναφέρεται ως δυϊσμός κύματος-σωματιδίου.

Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός σημαίνει ότι όλα τα σωματίδια παρουσιάζουν τόσο κυματικές όσο και σωματιδιακές ιδιότητες. Αυτή είναι μια κεντρική έννοια της κβαντομηχανικής. Κλασικές έννοιες όπως "σωματίδιο" και "κύμα" δεν περιγράφουν πλήρως τη συμπεριφορά των αντικειμένων κβαντικής κλίμακας.

Σωματίδια ως κύματα

Ένα ηλεκτρόνιο έχει ένα μήκος κύματος που ονομάζεται "μήκος κύματος de Broglie". Μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση

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

λ D {\displaystyle \lambda _{D}} είναι το μήκος κύματος de Broglie.

h {\displaystyle h} είναι η σταθερά του Planck

ρ {\displaystyle \rho } είναι η ορμή του σωματιδίου.

Έτσι προέκυψε η ιδέα ότι τα ηλεκτρόνια στα άτομα παρουσιάζουν ένα μοτίβο στάσιμου κύματος.

Τα κύματα ως σωματίδια

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο δείχνει ότι ένα φωτόνιο φωτός που έχει αρκετή ενέργεια (αρκετά υψηλή συχνότητα), μπορεί να προκαλέσει την απελευθέρωση ενός ηλεκτρονίου από την επιφάνεια ενός μετάλλου. Τα ηλεκτρόνια σε αυτή την περίπτωση μπορούν να ονομαστούν φωτοηλεκτρόνια.

• Max Planck
• Κβαντομηχανική