Wave Particle Duality och hur det fungerar

Kvantfysikens våg-partikeldualitetsprincip håller att materia och ljus uppvisar beteenden hos både vågor och partiklar, beroende på omständigheterna i experimentet. Det är ett komplext ämne men bland de mest spännande inom fysiken. 

Wave-Particle Duality in Light

På 1600-talet föreslog Christiaan Huygens och Isaac Newton konkurrerande teorier för ljusets beteende. Huygens föreslog en vågteori om ljus medan Newtons var en "korpuskulär" (partikel) ljusteori. Huygens teori hade några problem i matchning av observation och Newtons prestige hjälpte till att ge stöd till hans teori så i över ett sekel var Newtons teori dominerande.

I början av 1800-talet uppstod komplikationer för den corpuskulära teorin om ljus. Diffraktion hade observerats för en sak, som den hade problem med att förklara på ett adekvat sätt. Thomas Youngs dubbelslitsexperiment resulterade i uppenbart vågbeteende och verkade stödja vågteorin om ljus över Newtons partikelteori.

En våg måste i allmänhet spridas genom ett medium av något slag. Det medium som Huygens föreslog hade varit självlysande eter (eller i vanligare modern terminologi, eter). När James Clerk Maxwell kvantifierade en uppsättning ekvationer (kallas Maxwells lagar eller Maxwells ekvationer) för att förklara elektromagnetisk strålning (inklusive synligt ljus) som utbredning av vågor, antog han just en sådan eter som spridningsmediet, och hans förutsägelser överensstämde med experimentella resultat.

Problemet med vågteorin var att ingen sådan eter någonsin hade hittats. Inte bara det, utan astronomiska observationer i stellar avvikelse av James Bradley 1720 hade visat att eter måste vara stationär relativt en rörlig jord. Under 1800-talet gjordes försök att upptäcka etern eller dess rörelse direkt och kulminerade i det berömda Michelson-Morley-experimentet. De misslyckades alla med att faktiskt upptäcka etern, vilket resulterade i en enorm debatt när det tjugonde århundradet började. Var lätt en våg eller en partikel?

År 1905 publicerade Albert Einstein sitt papper för att förklara den fotoelektriska effekten, som föreslog att ljus färdades som diskreta energibuntar. Energin i en foton var relaterad till ljusets frekvens. Denna teori blev känd som fotonteorin om ljus (även om ordet foton inte myntades förrän år senare).

Med fotoner var etern inte längre nödvändig som spridningsmedel, även om den fortfarande lämnade den udda paradoxen för varför vågbeteende observerades. Ännu mer speciellt var kvantvariationerna i experimentet med dubbelslits och Compton-effekten som tycktes bekräfta partikeltolkningen.

När experiment utfördes och bevis samlades, blev konsekvenserna snabbt tydliga och alarmerande:

Ljus fungerar som både en partikel och en våg, beroende på hur experimentet genomförs och när observationer görs.

Wave-Particle Duality in Matter

Frågan om en sådan dualitet också dyker upp i materia hanterades av den djärva de Broglie-hypotesen, som utvidgade Einsteins arbete för att förena materiens observerade våglängd till sin fart. Experiment bekräftade hypotesen 1927, vilket resulterade i ett Nobelpris 1929 för de Broglie.

Precis som ljus såg det ut som om materien uppvisade både våg- och partikelegenskaper under rätt omständigheter. Uppenbarligen uppvisar massiva föremål mycket små våglängder, så små i själva verket att det är ganska meningslöst att tänka på dem på ett vågigt sätt. Men för små föremål kan våglängden vara observerbar och betydande, vilket bekräftas av det dubbla slitsexperimentet med elektroner.

Betydelse av våg-partikel dualitet

Den viktigaste betydelsen av vågpartikeldualiteten är att allt beteende hos ljus och materia kan förklaras genom användning av en differentiell ekvation som representerar en vågfunktion, i allmänhet i form av Schrodinger-ekvationen. Denna förmåga att beskriva verkligheten i form av vågor är hjärtat i kvantmekaniken.

Den vanligaste tolkningen är att vågfunktionen representerar sannolikheten för att hitta en given partikel vid en given punkt. Dessa sannolikhetsekvationer kan diffrahera, störa och uppvisa andra vågliknande egenskaper, vilket resulterar i en slutlig sannolikhetsvågfunktion som också uppvisar dessa egenskaper. Partiklar hamnar fördelade enligt sannolikhetslagarna och uppvisar därför vågegenskaperna. Med andra ord är sannolikheten för att en partikel befinner sig på någon plats en våg, men den faktiska fysiska utseendet på den partikeln är inte.

Medan matematiken, även om den är komplicerad, gör noggranna förutsägelser, är den fysiska betydelsen av dessa ekvationer mycket svårare att förstå. Försöket att förklara vad vågpartikeldualiteten "egentligen betyder" är en viktig punkt i debatten i kvantfysiken. Det finns många tolkningar för att försöka förklara detta, men de är alla bundna av samma uppsättning vågekvationer ... och till slut måste de förklara samma experimentella observationer.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.