Na prvi pogled je pojem dvojnosti valovnih delcev res čuden. Verjetno ste o valovih že izvedeli in veste, da so motnja v mediju, in verjetno ste izvedeli o delcih, ki so ločeni fizični predmeti. Torej se zdi, da imajo nekatere stvari lastnosti obeh, ne samo nenavadne, ampak tudi fizično nemogoče.
Ta članek vam bo predstavil idejo dualnosti valovnih delcev in podaril pregled nad pojavom koncepta in kako se v mnogih primerih izkaže za odličen opis resničnosti, zlasti na področju kvanta fizika.
Valovi in valovite lastnosti
Začnimo s pregledom, kaj predstavlja val. Val je definiran kot motnja v mediju, ki se širi z ene lokacije na drugo in v procesu prenaša energijo, ne pa tudi mase.
V mediju, skozi katerega se val premika, posamezne molekule preprosto nihajo na svojem mestu. Dober primer tega je gneča na stadionu, ki dela "val". Vsak posameznik preprosto vstane in sede, niha na svojem mestu, medtem ko val sam potuje po celotnem stadionu.
Lastnosti valov vključujejo valovno dolžino (razdaljo med vrhovi valov), frekvenco (število valovnih ciklov na drugič), obdobje (čas, potreben za en celoten valovni cikel in hitrost (kako hitro motnja potuje).
Lastnosti delcev in narava delcev
Delci so ločeni fizični predmeti. Imajo natančno določen položaj v vesolju in ko se selijo z ene lokacije na drugo, ne samo, da prenašajo energijo, ampak tudi lastno maso.
Za razliko od valov ne potrebujejo medija, po katerem bi se gibali. Prav tako jih ni smiselno opisovati z valovno dolžino, frekvenco in obdobjem. Namesto tega jih običajno opisujejo njihova masa, položaj in hitrost.
Dvojnost valov-delcev in elektromagnetno sevanje
Ko pojav svetlobe znanstveniki niso bili enotni glede tega, ali gre za val ali delce. Korpuskularni opis svetlobe Isaaca Newtona je trdil, da je delovala kot delec, in razvil je ideje to je pojasnilo razmislek in lom v tem okviru, čeprav se zdi, da nekatere njegove metode niso delo.
Christiaan Huygens se ni strinjal z Newtonom in je za opis svetlobe uporabil teorijo valov. Odsev in lom je lahko razložil tako, da je svetlobo obravnaval kot val.
Znanstveni eksperiment z dvojnimi režami Thomasa Younga, ki je prikazal interferenčne vzorce v rdeči svetlobi, povezane z valovitim vedenjem, je prav tako podpiral teorijo valov.
Zdi se, da se je razprava o tem, ali je svetloba delček ali val, razrešila, ko je na prizorišče prišel James Clerk Maxwell in prek svojih Maxwellovih enačb opisal svetlobo kot elektromagnetno valovanje.
Toda kmalu se je pokazalo, da valovna narava svetlobe ne upošteva vseh opaženih pojavov. Fotoelektrični učinek bi na primer lahko razložili le, če bi svetlobo obravnavali kot delce, ki bi delovali kot posamezni fotoni ali svetlobni kvanti. To idejo je podal Albert Einstein, ki je zanjo dobil Nobelovo nagrado.
Tako se je rodil pojem dvojnosti valovnih delcev. Svetlobo bi lahko resnično razložili le, če bi jo v nekaterih situacijah obravnavali kot val in v drugih delce.
Dvojnost in snov valnih delcev
Tu so stvari še bolj čudne. Ne samo, da svetloba prikazuje to dvojnost, ampak se izkaže, da jo ima tudi snov. To je odkril Louis de Broglie.
Te dvojnosti sploh ni mogoče videti v makroskopskem merilu, ampak ko gre za delo z osnovnimi zdi se, da včasih delujejo kot delci, drugič pa kot valovi, pri čemer je njihova valovna dolžina enaka povezane valovna dolžina de Broglie.
Ta pojem je privedel do razvoja kvantne mehanike, ki opisuje delce z valovnimi funkcijami, kar je nato mogoče razumeti v smislu Schrodingerjeve enačbe.