Принципът на двойственост на вълната-частица на квантова физика притежава тази материя и светлина проявяват поведението на вълните и частиците, в зависимост от обстоятелствата на експеримента. Това е сложна тема, но сред най-интригуващите във физиката.
Двойственост на вълната-частици в светлината
През 1600 г. Кристиаан Хюгенс и Исак Нютон предложени конкуриращи се теории за поведението на светлината. Хюйгенс предложи вълнова теория на светлината, докато Нютон е "корпускуларна" (частица) теория за светлината. Теорията на Хюйгенс имаше някои проблеми в съпоставянето на наблюдението, а престижът на Нютон помогна за подкрепа на неговата теория, така че повече от век теорията на Нютон беше доминираща.
В началото на XIX век възникват усложнения за корпускуларната теория на светлината. дифракция беше забелязано за едно нещо, което имаше проблеми с адекватното обяснение. Експериментът с двойни цепки на Томас Йънг доведе до очевидно поведение на вълната и изглежда твърдо подкрепи теорията на вълната за светлината над теорията на частиците на Нютон.
Вълната обикновено трябва да се разпространява чрез някакъв вид среда. Предлаганата от Хюйгенс среда е била луминен етер (или в по-разпространената съвременна терминология, етер). Кога Джеймс Клерк Максуел количествено определи набор от уравнения (наречен Законите на Максуел или Уравнения на Максуел) да обясни електромагнитно излъчване (включително Видима светлина) като разпространение на вълните той прие точно такъв етер като среда на разпространение и неговите прогнози бяха в съответствие с експерименталните резултати.
Проблемът с вълновата теория беше, че такъв етер никога не е бил намерен. Не само това, но астрономическите наблюдения при звездната аберация от Джеймс Брадли през 1720 г. показват, че етер ще трябва да бъде неподвижен спрямо движеща се Земя. През 1800-те години се правят опити за директно откриване на етера или неговото движение, което завърши с известното Майкълсън-Морли експеримент. Всички те не успяха да открият действително етера, което доведе до огромен дебат с началото на ХХ век. Светлина ли беше вълна или частица?
През 1905г. Алберт Айнщайн публикува своята книга, за да обясни фотоелектричен ефект, която предложи тази светлина да се движи като дискретни снопове енергия. Енергията, съдържаща се във фотона, беше свързана с честотата на светлината. Тази теория стана известна като фотонна теория на светлината (въпреки че думата фотон не е създадена чак години по-късно).
С фотоните етерът вече не е от съществено значение като средство за размножаване, въпреки че все още оставя странния парадокс защо се наблюдава поведение на вълните. Още по-особени бяха квантовите вариации на експеримента с двойни процепи и Комптонов ефект което сякаш потвърждаваше интерпретацията на частиците.
Тъй като бяха проведени експерименти и се натрупаха доказателства, последствията бързо станаха ясни и тревожни:
Светлината функционира като частица и вълна, в зависимост от това как се провежда експериментът и кога се правят наблюдения.
Двойственост на вълната-частици в материята
Въпросът дали подобна двойственост се проявява и в материята беше решен от смелите хипотеза на Броли, което разшири работата на Айнщайн за свързване на наблюдаваната дължина на вълната на материята с нейния импулс. Експериментите потвърждават хипотезата през 1927 г., което води до Нобелова награда от 1929 г. за дьо Бройли.
Точно като светлината, изглежда, че материята проявява свойства на вълната и частиците при правилните обстоятелства. Очевидно масивните предмети проявяват много малки дължини на вълната, толкова малки всъщност, че е по-безсмислено да ги мислим по вълнен начин. Но за малките обекти дължината на вълната може да бъде наблюдавана и значителна, както се потвърждава от експеримента с двойни процепи с електрони.
Значение на двойствеността на вълните и частиците
Основното значение на двойствеността на вълновите частици е, че всяко поведение на светлината и материята може да бъде обяснено чрез използването на диференциално уравнение, което представлява вълнова функция, обикновено под формата от Уравнение на Шрьодингер. Тази способност да се описва реалността под формата на вълни е в основата на квантовата механика.
Най-честото тълкуване е, че вълновата функция представлява вероятността да се намери дадена частица в дадена точка. Тези уравнения на вероятността могат да дифрактират, да пречат и да проявят други свойства, подобни на вълна, което води до окончателна вероятностна вълнова функция, която проявява и тези свойства. Частиците в крайна сметка се разпределят според законите на вероятността и следователно показват вълнови свойства. С други думи, вероятността дадена частица да бъде на всяко място е вълна, но действителният физически вид на тази частица не е.
Докато математиката, макар и сложна, прави точни прогнози, физическият смисъл на тези уравнения е много по-труден за разбиране. Опитът да се обясни какво всъщност означава двойствеността на вълновите частици е ключов момент на дебат в квантовата физика. Съществуват много интерпретации, за да се опитат да обяснят това, но всички те са обвързани от един и същ набор от вълнови уравнения... и в крайна сметка трябва да обясни същите експериментални наблюдения.
Редактиран от Ан Мари Хелменстин, д-р