Na prvi pogled pojam dualnosti valova i čestica doista je čudan. Vjerojatno ste već naučili o valovima i znate da su poremećaj u medijumu, a vjerojatno ste saznali i o česticama, koje su diskretni fizički objekti. Dakle, ideja da neke stvari imaju obje osobine može izgledati ne samo čudno, već i fizički nemoguće.
Ovaj će vas članak upoznati s idejom dualnosti valnih čestica i dati pregled kako se pojava pojavila i kako se to u mnogim slučajevima pokazalo izvrsnim opisom stvarnosti, posebno u području kvanta fizika.
Valovi i svojstva nalik valovima
Počnimo s pregledom onoga što predstavlja val. Val se definira kao poremećaj u mediju koji se širi s jednog mjesta na drugo, prenoseći energiju u procesu, ali ne i prenoseći masu.
U mediju kroz koji se val kreće, pojedine molekule jednostavno osciliraju na mjestu. Dobar primjer za to je gužva na stadionu koja radi "val". Svaki pojedinac jednostavno ustane i sjedne, oscilirajući u mjestu, dok sam val putuje oko cijelog stadiona.
Svojstva valova uključuju valnu duljinu (udaljenost između vršnih vrijednosti valova), frekvenciju (broj valnih ciklusa po drugo), razdoblje (vrijeme potrebno za jedan cjeloviti valni ciklus i brzinu (koliko brzo smetnja putuje).
Svojstva čestica i priroda čestica
Čestice su različiti fizički objekti. Imaju dobro definiran položaj u svemiru, a kad se premještaju s jednog mjesta na drugo, ne samo da prenose energiju, već i vlastitu masu.
Za razliku od valova, njima nije potreban medij kroz koji će se kretati. Također nema smisla opisivati ih s valnom duljinom, frekvencijom i razdobljem. Umjesto toga, obično se opisuju svojom masom, položajem i brzinom.
Dvojnost valnih čestica i elektromagnetsko zračenje
Kada fenomen svjetlosti znanstvenici se nisu složili oko toga je li to val ili čestica. Korpuskularni opis svjetlosti Isaaca Newtona tvrdio je da je djelovao kao čestica i razvio je ideje to je objasnilo refleksiju i lom u ovom okviru, iako se činilo da neke od njegovih metoda nisu raditi.
Christiaan Huygens nije se složio s Newtonom i koristio je teoriju valova da bi opisao svjetlost. Mogao je objasniti refleksiju i lom tretirajući svjetlost kao val.
Poznati eksperiment s dvostrukim prorezima Thomasa Younga, koji je pokazao uzorke smetnji u crvenom svjetlu povezanim s valnim ponašanjem, također je podržao teoriju valova.
Činilo se da se rasprava o tome je li svjetlost čestica ili val razriješila kad je James Clerk Maxwell izašao na scenu i preko svojih Maxwellovih jednadžbi opisao svjetlost kao elektromagnetske valove.
No, ubrzo je postalo očito da valna priroda svjetlosti ne predstavlja sve promatrane pojave. Primjerice, fotoelektrični efekt mogao bi se objasniti samo ako se svjetlost tretira kao čestica - djelujući kao pojedinačni fotoni ili svjetlosni kvanti. Ovu je ideju iznio Albert Einstein, koji je za to dobio Nobelovu nagradu.
Tako se rodio pojam dualnosti val-čestica. Svjetlost bi se mogla istinski objasniti samo ako bi se u nekim situacijama tretirala kao val, a u drugima kao čestica.
Dvojnost i materija valnih čestica
Ovdje stvari postaju još čudnije. Ne samo da svjetlost prikazuje ovu dualnost, već se ispostavlja i da je stvar u pitanju. To je otkrio Louis de Broglie.
Ta se dualnost uopće ne može vidjeti na makroskopskoj razini, već kada je riječ o radu s osnovnim Čini se da ponekad djeluju kao čestice, a drugi put kao valovi, čija je valna duljina jednaka udruženi valna duljina de Broglie.
Ovaj je pojam doveo do razvoja kvantne mehanike, koja opisuje čestice s valnim funkcijama, što se onda može razumjeti u smislu Schrodingerove jednadžbe.