במבט ראשון המושג דואליות של חלקיקי גל הוא באמת מוזר. סביר להניח שלמדת בעבר על גלים וידעת שהם הפרעה במדיום, וסביר להניח שלמדת על חלקיקים שהם אובייקטים פיזיים נפרדים. אז הרעיון שלכמה דברים יש תכונות של שניהם עשוי להיראות לא רק מוזר, אלא גם בלתי אפשרי מבחינה פיזית.
מאמר זה יציג בפניכם את הרעיון של דואליות גל-חלקיקים וייתן סקירה על האופן בו המושג הופיע ואיך זה מתברר כתיאור מצוין של המציאות במקרים רבים, במיוחד בתחום הקוונטי פיזיקה.
גלי ומאפייני גלי
נתחיל בבדיקה מהי גל. גל מוגדר כהפרעה במדיום שמתפשט ממיקום אחד למשנהו, ומעביר אנרגיה בתהליך, אך לא מעביר מסה.
במדיום דרכו נע הגל, המולקולות הבודדות פשוט מתנודדות במקום. דוגמה טובה לכך היא קהל באיצטדיון שעושה "את הגל". כל אדם פשוט קם ומתיישב, מתנדנד במקום, בעוד הגל עצמו מסתובב בכל האיצטדיון.
מאפייני הגל כוללים אורך גל (המרחק בין פסגות הגל), תדר (מספר מחזורי הגל לכל שנייה), פרק זמן (הזמן שלוקח מחזור גל שלם ומהירות אחת (כמה מהר ההפרעה עוברת).
מאפייני החלקיקים וטבע החלקיקים
חלקיקים הם עצמים פיזיים מובהקים. יש להם מיקום מוגדר היטב בחלל, וכאשר הם עוברים ממיקום אחד למשנהו, לא רק שהם מעבירים אנרגיה, אלא גם המסה שלהם.
בניגוד לגלים, הם אינם זקוקים למדיום דרכו כדי לעבור. זה גם לא הגיוני לתאר אותם באורך גל, תדר ותקופה. במקום זאת, הם מתוארים בדרך כלל על ידי המסה, המיקום והמהירות שלהם.
דואליות של חלקיקי גל וקרינה אלקטרומגנטית
כאשר תופעת אור נחקר לראשונה, מדענים לא הסכימו אם זה היה גל או חלקיק. תיאור האור הגופני של אייזיק ניוטון טען שהוא משמש כחלקיק, והוא פיתח רעיונות זה הסביר השתקפות ושבירה במסגרת זו, אם כי חלק משיטותיו לא ממש נראו עֲבוֹדָה.
כריסטיאן הויגנס לא הסכים עם ניוטון והשתמש בתיאוריית הגל לתיאור האור. הוא הצליח להסביר השתקפות ושבירה על ידי התייחסות לאור כאל גל.
הניסוי המפורסם של תומאס יאנג עם חריץ כפול, שהדגים דפוסי הפרעה באור אדום הקשור להתנהגות גלית, תמך גם בתורת הגלים.
נראה כי הוויכוח האם אור היה חלקיק או גל נפתר כאשר ג'יימס פקיד מקסוול הגיע למקום ותיאר את האור כגלים אלקטרומגנטיים באמצעות משוואות מקסוול שלו.
אך עד מהרה התברר שטבע הגל של האור אינו מתחשב בכל התופעות הנצפות. ניתן להסביר את ההשפעה הפוטואלקטרית, רק אם מטפלים באור כחלקיק - מתנהג כפוטונים בודדים או כמויות אור. רעיון זה הועלה על ידי אלברט איינשטיין, שזכה בפרס נובל על כך.
כך נולד הרעיון של דואליות גל וחלקיקים. ניתן היה להסביר את האור רק אם התייחסו אליו כאל גל במצבים מסוימים וכאל חלקיק באחרים.
דואליות וחומר של גל-חלקיקים
כאן הדברים נעשים מוזרים עוד יותר. לא רק שהאור מציג את הדואליות הזו, אלא מתברר שהחומר גם כן. זה התגלה על ידי לואי דה ברוגלי.
אי אפשר לראות את הדואליות הזו בכלל בקנה מידה מקרוסקופי, אלא כשמדובר בעבודה עם יסודי חלקיקים, נראה שלפעמים הם פועלים כחלקיקים ופעמים אחרות כגלים, כאשר אורך הגל שלהם שווה ל- קשור ל אורך הגל של דה ברוגלי.
תפיסה זו הובילה להתפתחות מכניקת הקוונטים, המתארת חלקיקים בעלי פונקציות גל, אשר ניתן להבין אז במונחי משוואת שרודינגר.