Viļņu-daļiņu divdabības princips kvantu fizika uzskata, ka matērija un gaisma parāda gan viļņu, gan daļiņu izturēšanos atkarībā no eksperimenta apstākļiem. Tā ir sarežģīta tēma, bet starp fiziski visintriģējošākajām.
Viļņu-daļiņu dualitāte gaismā
1600. gados Kristians Hjūgens un Īzaks Ņūtons ierosināja konkurējošās teorijas par gaismas izturēšanos. Hjūgens ierosināja gaismas viļņu teoriju, savukārt Ņūtona - gaismas “daļiņu” (daļiņu) teoriju. Hjūgena teorijai bija dažas problēmas ar novērojumu saskaņošanu, un Ņūtona prestižs palīdzēja sniegt atbalstu viņa teorijai, tāpēc vairāk nekā gadsimtu Ņūtona teorija bija dominējošā.
Deviņpadsmitā gadsimta sākumā radās sarežģījumi gaismas asinsķermenīšu teorijai. Difrakcija tika novērots, pirmkārt, ko tai bija grūti pienācīgi izskaidrot. Tomasa Younga divkāršās spraugas eksperiments izraisīja acīmredzamu viļņu izturēšanos un šķita, ka tas stingri atbalsta gaismas viļņu teoriju pār Ņūtona daļiņu teoriju.
Vilnim parasti ir jāizplatās caur kāda veida vidi. Hjūgena ierosinātā vide bija
Gaismas ēteris (vai plašākā mūsdienu terminoloģijā, ēteris). Kad Džeimss Klerks Maksvels kvantificēja vienādojumu kopu (sauktu par Maksvela likumi vai Maksvela vienādojumi) izskaidrot elektromagnētiskā radiācija (ieskaitot redzamā gaisma) kā viļņu izplatīšanos viņš pieņēma tikai tādu ēteri kā izplatīšanās vide, un viņa prognozes saskanēja ar eksperimenta rezultātiem.Viļņu teorijas problēma bija tāda, ka šāds ēteris nekad nebija atrasts. Ne tikai tas, bet astronomiskie novērojumi Džeimsa Bredlija 1720. gadā veiktajā zvaigžņu aberācijā bija norādījuši, ka ēterim jābūt stacionāram attiecībā pret kustīgo Zemi. Visā 1800. gadā ēteri vai tā kustību tika mēģināts atklāt tieši, kulminācija sasniedzot slaveno Miķelsona-Morlija eksperiments. Viņiem visiem neizdevās atklāt ēteri, izraisot milzīgas debates, sākoties divdesmitajam gadsimtam. Vai gaisma bija vilnis vai daļiņa?
1905. gadā Alberts Einšteins publicēja savu darbu, lai izskaidrotu fotoelektriskais efekts, kas ierosināja, ka gaisma pārvietojas kā diskrēti enerģijas komplekti. Fotonā esošā enerģija bija saistīta ar gaismas frekvenci. Šī teorija kļuva pazīstama kā fotonu teorija no gaismas (lai gan vārds fotons tika radīts tikai gadus vēlāk).
Izmantojot fotonus, ēteris vairs nebija būtisks kā izplatīšanās līdzeklis, lai gan tas joprojām atstāja dīvainu paradoksu, kāpēc tika novērota viļņu izturēšanās. Vēl savdabīgākas bija dubultās spraugas eksperimenta un Komptona efekts kas šķita apstiprinājis daļiņu interpretāciju.
Veicot eksperimentus un uzkrājot pierādījumus, sekas ātri kļuva skaidras un satraucošas:
Gaisma darbojas gan kā daļiņa, gan kā vilnis, atkarībā no tā, kā tiek veikts eksperiments un kad tiek veikti novērojumi.
Viļņu-daļiņu dualitāte matērijā
Jautājums par to, vai šāda divkosība parādās arī matērijā, tika risināts drosmīgi de Broglie hipotēze, kas paplašināja Einšteina darbu, lai saistītu novēroto matērijas viļņa garumu ar tā impulsu. Eksperimenti apstiprināja hipotēzi 1927. gadā, iegūstot 1929. gada Nobela prēmiju par de Broglie.
Tāpat kā gaisma, likās, ka matērijai pareizajos apstākļos piemīt gan viļņu, gan daļiņu īpašības. Acīmredzot masīviem objektiem ir ļoti mazs viļņu garums, tik mazs, ka ir diezgan bezjēdzīgi tos domāt viļņu veidā. Bet maziem objektiem viļņa garums var būt novērojams un nozīmīgs, par ko liecina divkāršās spraugas eksperiments ar elektroniem.
Viļņu-daļiņu divdabības nozīme
Viļņu daļiņu dualitātes galvenā nozīme ir tā, ka var būt jebkura gaismas un matērijas izturēšanās to var izskaidrot, izmantojot diferenciālvienādojumu, kas parasti apzīmē viļņa funkciju no Šrodingera vienādojums. Šī spēja aprakstīt realitāti viļņu formā ir kvantu mehānikas pamatā.
Visizplatītākā interpretācija ir tāda, ka viļņa funkcija apzīmē varbūtību atrast konkrētu daļiņu noteiktā punktā. Šie varbūtības vienādojumi var difrakcijas, traucē un parādīt citas viļņiem līdzīgas īpašības, kā rezultātā tiek iegūta galīgā varbūtības viļņu funkcija, kurai ir arī šīs īpašības. Daļiņas galu galā sadalās saskaņā ar varbūtības likumiem, un tāpēc tām ir viļņu īpašības. Citiem vārdiem sakot, varbūtība, ka daļiņa atrodas jebkurā vietā, ir vilnis, bet faktiskais šīs daļiņas fiziskais izskats nav.
Kaut arī matemātika, lai arī sarežģīta, sniedz precīzas prognozes, šo vienādojumu fizisko nozīmi ir daudz grūtāk aptvert. Mēģinājums izskaidrot, ko viļņu daļiņu divdabība "patiesībā nozīmē", ir galvenais diskusiju punkts kvantu fizikā. Lai mēģinātu to izskaidrot, pastāv daudzas interpretācijas, taču tās visas saista viens un tas pats viļņu vienādojumu komplekts... un galu galā jāpaskaidro tie paši eksperimentālie novērojumi.
Rediģēja Anne Marie Helmenstine, Ph.