Bølge-partikel dualitet
Bølge-partikel-dualitet er måske et af de mest forvirrende begreber i fysikken, fordi det er så ulig noget, vi ser i den almindelige verden.
Fysikere, der studerede lys i 1700- og 1800-tallet, havde en diskussion om, hvorvidt lys bestod af partikler eller bølger. Lys synes at gøre begge dele. Til tider synes lyset kun at bevæge sig i en lige linje, som om det var lavet af partikler. Men andre eksperimenter viser, at lys har en frekvens og en bølgelængde, ligesom en lydbølge eller en vandbølge. Indtil det 20. århundrede troede de fleste fysikere, at lyset enten var det ene eller det andet, og at forskerne på den anden side af argumentet simpelthen tog fejl.
Nuværende situation
Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton og Niels Bohr arbejdede på dette problem. Den nuværende videnskabelige teori går ud på, at alle partikler både opfører sig som bølger og som partikler. Dette er blevet bekræftet for elementarpartikler og for sammensatte partikler som atomer og molekyler. For makroskopiske partikler kan bølgeegenskaber normalt ikke påvises på grund af deres ekstremt korte bølgelængder.
Forsøg
I 1909 besluttede en videnskabsmand ved navn Geoffrey Taylor, at han ville afgøre denne diskussion én gang for alle. Han lånte et eksperiment, som Thomas Young tidligere havde opfundet, hvor lys blev skudt gennem to små huller lige ved siden af hinanden. Når skarpt lys blev skudt gennem disse to små huller, skabte det et interferensmønster, der syntes at vise, at lyset faktisk var en bølge.
Taylors idé var at tage et billede af det lys, der kom ud af hullerne, med et særligt kamera, der var usædvanligt lysfølsomt. Når der blev skudt skarpt lys gennem hullerne, viste billedet et interferensmønster, ligesom Young tidligere havde vist det. Taylor skruede derefter ned for lyset til et meget svagt niveau. Når lyset var svagt nok, viste Taylors fotos små lysnåle punkter af lys, der spredtes ud af hullerne. Dette syntes at vise, at lyset faktisk var en partikel. Hvis Taylor lod det svage lys skinne gennem hullerne længe nok, fyldte prikkerne til sidst fotoet op og dannede igen et interferensmønster. Dette viste, at lyset på en måde var både en bølge og en partikel.
For at gøre tingene endnu mere forvirrende foreslog Louis de Broglie, at materien kunne opføre sig på samme måde. Forskere udførte derefter de samme eksperimenter med elektroner og fandt ud af, at elektroner også på en måde er både partikler og bølger. Elektroner kan bruges til at udføre Youngs dobbeltspalteeksperiment.
I dag er disse eksperimenter blevet udført på så mange forskellige måder af så mange forskellige mennesker, at forskerne simpelthen accepterer, at både stof og lys på en eller anden måde er både bølger og partikler. Forskerne er stadig usikre på, hvordan dette kan være, men de er helt sikre på, at det må være sandt. Selv om det synes umuligt at forstå, hvordan noget kan være både en bølge og en partikel, har forskerne en række ligninger til at beskrive disse ting, som har variabler for både bølgelængde (en bølgeegenskab) og impuls (en partikelegenskab). Denne tilsyneladende umulighed kaldes bølge-partikel-dualitet.
Grundlæggende teori
Bølge-partikel-dualitet betyder, at alle partikler har både bølge- og partikelegenskaber. Dette er et centralt begreb i kvantemekanikken. Klassiske begreber som "partikel" og "bølge" beskriver ikke fuldt ud kvantemekaniske objekters adfærd.
Partikler som bølger
En elektron har en bølgelængde, der kaldes "de Broglie-bølgelængden". Den kan beregnes ved hjælp af ligningen
λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}} 
λ D {\displaystyle \lambda _{D}}}
er de Broglie-bølgelængden.
h {\displaystyle h}
er Plancks konstant
ρ {\displaystyle \rho }
er partikelens impuls.
Det gav ideen om, at elektroner i atomer viser et stående bølgemønster.
Bølger som partikler
Den fotoelektriske effekt viser, at en lysfoton, der har tilstrækkelig energi (høj nok frekvens), kan få en elektron til at frigøre sig fra et metals overflade. Elektroner kan i dette tilfælde kaldes fotoelektroner.
Relaterede sider
- Max Planck
- Kvantemekanik
