Principiul dualității undă-particule al fizică cuantică susține că materia și lumina prezintă comportamentele atât a undelor cât și a particulelor, în funcție de circumstanțele experimentului. Este un subiect complex, dar printre cele mai intrigante din fizică.
Dualitatea particulelor de undă în lumină
În anii 1600, Christiaan Huygens și Isaac Newton a propus teorii concurente pentru comportamentul luminii. Huygens a propus o teorie a undelor a luminii, în timp ce Newton a fost o teorie „corpusculară” (particule) a luminii. Teoria lui Huygens a avut unele probleme în ceea ce privește potrivirea observației și prestigiul lui Newton a ajutat să acorde sprijin teoriei sale, așa că, timp de peste un secol, teoria lui Newton a fost dominantă.
La începutul secolului al XIX-lea, au apărut complicații pentru teoria corpusculă a luminii. Difracţie fusese observat, pentru un lucru, pe care avea probleme să-l explice în mod adecvat. Experimentul lui Thomas Young cu dublă fanta a avut ca rezultat un comportament de undă evident și părea să susțină ferm teoria undelor luminii peste teoria particulelor lui Newton.
În general, un val trebuie să se propage printr-un mediu de un fel. Mediul propus de Huygens fusese eter luminifer (sau în terminologia modernă mai comună, eter). Cand James Clerk Maxwell a cuantificat un set de ecuații (numit Legile lui Maxwell sau Ecuațiile lui Maxwell) a explica radiatie electromagnetica (inclusiv lumina vizibila) ca propagare a undelor, el a asumat doar un asemenea eter ca mediul de propagare, iar predicțiile sale erau în concordanță cu rezultatele experimentale.
Problema cu teoria undelor a fost că niciun astfel de eter nu a fost găsit vreodată. Nu numai asta, dar observațiile astronomice în aberațiile stelare ale lui James Bradley în 1720 au indicat că eterul ar trebui să fie staționat în raport cu Pământul în mișcare. De-a lungul anilor 1800, s-au încercat direct detectarea eterului sau a mișcării sale, culminând cu celebrul Experiment Michelson-Morley. Toți nu au reușit să detecteze efectul, rezultând o dezbatere uriașă pe măsură ce a început secolul XX. Lumina a fost o undă sau o particulă?
În 1905, Albert Einstein a publicat lucrarea sa pentru a explica efect fotoelectric, care a propus ca lumina să călătorească ca niște pachete discrete de energie. Energia conținută în interiorul unui foton a fost legată de frecvența luminii. Această teorie a devenit cunoscută sub numele de teoria fotonilor de lumină (deși cuvântul foton nu a fost inventat decât ani mai târziu).
În cazul fotonilor, eterul nu mai era esențial ca mijloc de propagare, deși a lăsat încă paradoxul ciudat de ce s-a observat comportamentul valurilor. Și mai deosebite au fost variațiile cuantice ale experimentului cu fanta dublă și Efectul Compton ceea ce părea să confirme interpretarea particulelor.
Pe măsură ce experimentele s-au efectuat și s-au acumulat dovezi, implicațiile au devenit rapid clare și alarmante:
Lumina funcționează atât ca o particulă cât și ca o undă, în funcție de modul în care se desfășoară experimentul și de când se fac observații.
Dualitatea particulelor de undă în materie
Problema dacă această dualitate a apărut și în materie a fost abordată de îndrăzneț de ipoteza de Broglie, care a extins activitatea lui Einstein pentru a relaționa lungimea de undă a materiei observată cu impulsul său. Experimentele au confirmat ipoteza în 1927, rezultând un Premi Nobel pentru 1929 de Broglie.
La fel ca lumina, se părea că materia prezintă atât proprietăți de undă cât și particule în circumstanțele corecte. Evident, obiectele masive prezintă lungimi de undă foarte mici, atât de mici, de fapt, încât nu este absolut inutil să te gândești la ele într-un mod val. Dar pentru obiecte mici, lungimea de undă poate fi observabilă și semnificativă, așa cum atestă experimentul cu dublă fanta cu electroni.
Semnificația dualității de particule de undă
Semnificația majoră a dualității undă-particule este că orice comportament al luminii și al materiei poate fi explicat prin utilizarea unei ecuații diferențiale care reprezintă o funcție de undă, în general sub formă din Ecuația Schrodinger. Această abilitate de a descrie realitatea sub formă de unde se află în centrul mecanicii cuantice.
Cea mai comună interpretare este aceea că funcția de undă reprezintă probabilitatea de a găsi o particulă dată la un moment dat. Aceste ecuații de probabilitate pot să difuzeze, să interfereze și să prezinte alte proprietăți asemănătoare undelor, rezultând o funcție de undă probabilistică finală care prezintă și aceste proprietăți. Particulele ajung să fie distribuite în conformitate cu legile probabilității și, prin urmare, prezintă proprietăți ale undelor. Cu alte cuvinte, probabilitatea ca o particulă să se afle în orice locație este o undă, dar aspectul fizic real al acestei particule nu este.
În timp ce matematica, deși este complicată, face predicții exacte, sensul fizic al acestor ecuații este mult mai greu de înțeles. Încercarea de a explica ce înseamnă „dualitatea undă-particule” este un punct cheie de dezbatere în fizica cuantică. Există multe interpretări pentru a încerca să explice acest lucru, dar toate sunt legate de același set de ecuații de val... și, în final, trebuie să explice aceleași observații experimentale.
Editat de Anne Marie Helmenstine, Ph. D.