Ensi silmäyksellä aalto-hiukkasten kaksinaisuuden käsite on todella outo. Olet todennäköisesti oppinut aalloista aiemmin ja tiedät niiden olevan häiriöitä väliaineessa, ja olet todennäköisesti oppinut hiukkasista, jotka ovat erillisiä fyysisiä esineitä. Joten ajatus siitä, että joillakin asioilla on molempien ominaisuuksia, saattaa tuntua paitsi oudolta myös fyysisesti mahdottomalta.
Tämä artikkeli tutustuttaa sinut ajatukseen aaltopartikkelien kaksinaisuudesta ja antaa yleiskuvan siitä, miten käsite syntyi ja kuinka se osoittautuu erinomaiseksi kuvaukseksi todellisuudesta monissa tapauksissa, erityisesti kvanttialueella fysiikka.
Aallot ja Wavelike-ominaisuudet
Aloitetaan tarkistamalla, mikä on aalto. Aalto määritellään häiriöksi väliaineessa, joka etenee paikasta toiseen, siirtää energiaa prosessissa, mutta ei siirrä massaa.
Väliaineessa, jonka läpi aalto liikkuu, yksittäiset molekyylit vain värähtelevät paikalleen. Hyvä esimerkki tästä on stadionin väkijoukko, joka tekee ”aallon”. Jokainen yksilö yksinkertaisesti nousee ylös ja istuu alas värähtelemällä paikalleen, kun taas aalto kulkee koko stadionin ympäri.
Aallon ominaisuuksiin kuuluvat aallonpituus (aaltohuippujen välinen etäisyys), taajuus (aaltosyklien lukumäärä per toinen), jakso (aika, joka kuluu yhdelle täydelle aaltosyklille ja nopeudelle (kuinka nopeasti häiriö kulkee).
Hiukkasten ominaisuudet ja hiukkasten luonne
Hiukkaset ovat erillisiä fyysisiä esineitä. Heillä on hyvin määritelty sijainti avaruudessa, ja kun he siirtyvät paikasta toiseen, he eivät vain siirrä energiaa, vaan myös oman massansa.
Toisin kuin aallot, he eivät tarvitse väliainetta, jonka läpi liikkua. Ei ole myöskään järkevää kuvata niitä aallonpituudella, taajuudella ja jaksolla. Sen sijaan ne kuvataan yleensä niiden massan, sijainnin ja nopeuden perusteella.
Aaltopartikkelien kaksinaisuus ja sähkömagneettinen säteily
Kun valon ilmiö tutkittiin ensin, tutkijat olivat eri mieltä siitä, onko kyseessä aalto vai hiukkanen. Isaac Newtonin korpuskulaarinen kuvaus valosta väitti, että se toimi hiukkasena, ja hän kehitti ideoita se selitti pohdintaa ja taittumista tässä puitteissa, vaikka jotkut hänen menetelmistään eivät aivan näyttäneet työ.
Christiaan Huygens oli eri mieltä Newtonin kanssa ja käytti aaltoteoriaa kuvaamaan valoa. Hän pystyi selittämään heijastuksen ja taittumisen käsittelemällä valoa aallona.
Thomas Youngin kuuluisa kaksoisrakoinen kokeilu, joka osoitti aaltomaisen käyttäytymisen aiheuttamia häiriöitä punaisessa valossa, tuki myös aaltoteoriaa.
Keskustelu siitä, oliko valo hiukkasia vai aalto, näytti ratkeavan, kun James Clerk Maxwell tuli paikalle ja kuvasi valoa sähkömagneettisiksi aalloiksi Maxwellin yhtälöiden kautta.
Mutta pian kävi ilmi, että valon aaltoluonne ei ottanut huomioon kaikkia havaittuja ilmiöitä. Esimerkiksi valosähköinen vaikutus voidaan selittää vain, jos valoa kohdellaan hiukkasena - se toimii yksittäisinä fotoneina tai valokvantteina. Tämän idean esitti Albert Einstein, joka voitti siitä Nobel-palkinnon.
Näin syntyi käsite aaltopartikkelien kaksinaisuudesta. Valo voidaan todellakin selittää vain, jos sitä kohdellaan aallona joissakin tilanteissa ja hiukkasena toisissa.
Aaltopartikkelien kaksinaisuus ja aine
Täällä asiat muuttuvat vieläkin outoiksi. Valo ei ainoastaan esitä tätä kaksinaisuutta, vaan osoittautuu, että myös aine tekee. Tämän löysi Louis de Broglie.
Tätä kaksinaisuutta ei voida nähdä lainkaan makroskooppisessa mittakaavassa, mutta kun on kyse alkeisyhdistyksestä hiukkaset, ne näyttävät toisinaan toimivan hiukkasina ja toisinaan aaltoina, ja niiden aallonpituus on yhtä suuri kuin liittyvät de Broglien aallonpituus.
Tämä käsitys johti kvanttimekaniikan kehittämiseen, joka kuvaa hiukkasia, joilla on aaltofunktioita, jotka voidaan sitten ymmärtää Schrodinger-yhtälön avulla.