Golf-deeltje dualiteit: een overzicht

Op het eerste gezicht is het idee van dualiteit van golven en deeltjes inderdaad vreemd. Je hebt waarschijnlijk al eerder over golven geleerd en weet dat ze een verstoring in een medium zijn, en je hebt waarschijnlijk geleerd over deeltjes, die afzonderlijke fysieke objecten zijn. Dus het idee dat sommige dingen eigenschappen van beide hebben, lijkt misschien niet alleen vreemd, maar ook fysiek onmogelijk.

Dit artikel laat je kennismaken met het idee van dualiteit van golven en deeltjes en geeft een overzicht van hoe het concept is ontstaan en hoe het in veel gevallen een uitstekende beschrijving van de werkelijkheid blijkt te zijn, vooral op het gebied van kwantum fysica.

Laten we beginnen met te bekijken wat een golf is. Een golf wordt gedefinieerd als een verstoring in een medium die zich voortplant van de ene locatie naar de andere, daarbij wel energie overdragend, maar geen massa.

In het medium waardoor de golf beweegt, oscilleren de afzonderlijke moleculen eenvoudig op hun plaats. Een goed voorbeeld hiervan is een menigte in een stadion die "the wave" doet. Elk individu staat gewoon op en gaat zitten, oscillerend op zijn plaats, terwijl de golf zelf door het hele stadion reist.

Golfeigenschappen omvatten golflengte (de afstand tussen golfpieken), frequentie (het aantal golfcycli per seconde), periode (de tijd die nodig is voor één volledige golfcyclus en snelheid (hoe snel de storing zich voortplant).

Deeltjes zijn verschillende fysieke objecten. Ze hebben een goed gedefinieerde positie in de ruimte en wanneer ze van de ene locatie naar de andere gaan, dragen ze niet alleen energie over, maar ook hun eigen massa.

In tegenstelling tot golven hebben ze geen medium nodig om doorheen te bewegen. Het heeft ook geen zin om ze te beschrijven met een golflengte, frequentie en periode. In plaats daarvan worden ze meestal beschreven door hun massa, positie en snelheid.

Wanneer de fenomeen van licht eerst werd bestudeerd, waren wetenschappers het er niet over eens of het een golf of een deeltje was. Isaac Newtons corpusculaire beschrijving van licht beweerde dat het als een deeltje werkte, en hij ontwikkelde ideeën dat verklaarde reflectie en breking binnen dit kader, hoewel sommige van zijn methoden dat niet helemaal leken te doen werk.

Christiaan Huygens was het niet eens met Newton en gebruikte de golftheorie om licht te beschrijven. Hij kon reflectie en breking verklaren door licht als een golf te behandelen.

Het beroemde dubbelspletenexperiment van Thomas Young, dat interferentiepatronen in rood licht aantoonde die verband houden met golfachtig gedrag, ondersteunde ook de golftheorie.

Het debat over de vraag of licht een deeltje of een golf was, leek te worden opgelost toen James Clerk Maxwell op het toneel verscheen en licht beschreef als elektromagnetische golven via zijn Maxwell-vergelijkingen.

Maar het werd al snel duidelijk dat het golfkarakter van licht niet alle waargenomen verschijnselen verklaart. Het foto-elektrische effect zou bijvoorbeeld alleen kunnen worden verklaard als licht werd behandeld als een deeltje - als afzonderlijke fotonen of lichtquanta. Dit idee werd naar voren gebracht door Albert Einstein, die er een Nobelprijs voor won.

Zo ontstond het idee van dualiteit van golven en deeltjes. Licht kan alleen echt worden verklaard als het in sommige situaties als een golf wordt behandeld en in andere als een deeltje.

Hier wordt het nog vreemder. Niet alleen licht vertoont deze dualiteit, maar het blijkt dat materie dat ook doet. Dit werd ontdekt door Louis de Broglie.

Deze dualiteit is helemaal niet te zien op macroscopische schaal, maar als het gaat om het werken met elementaire deeltjes, lijken ze soms te werken als deeltjes en soms als golven, met een golflengte gelijk aan de geassocieerd de Broglie golflengte.

Dit idee leidde tot de ontwikkeling van de kwantummechanica, die deeltjes met golffuncties beschrijft, die vervolgens kunnen worden begrepen in termen van de Schrödinger-vergelijking.