Dualiteit van golfdeeltjes en hoe het werkt

Het dualiteitsprincipe van golfdeeltjes van kwantumfysica houdt in dat materie en licht het gedrag van zowel golven als deeltjes vertonen, afhankelijk van de omstandigheden van het experiment. Het is een complex onderwerp, maar een van de meest intrigerende in de natuurkunde.

In de jaren 1600, Christiaan Huygens en Isaac Newton stelde concurrerende theorieën voor het gedrag van licht voor. Huygens stelde een golftheorie van het licht voor, terwijl die van Newton een "corpusculaire" (deeltjes) theorie van het licht was. De theorie van Huygens had wat problemen bij het matchen van observatie en het prestige van Newton hielp zijn theorie ondersteunen, dus de theorie van Newton was meer dan een eeuw dominant.

In het begin van de negentiende eeuw ontstonden complicaties voor de corpusculaire theorie van het licht. Diffractie was waargenomen, ten eerste, dat het moeite had om voldoende uit te leggen. Thomas Young's dubbele spleet-experiment resulteerde in duidelijk golfgedrag en leek de golftheorie van het licht stevig te ondersteunen boven de deeltjestheorie van Newton.

Over het algemeen moet een golf zich via een soort medium voortplanten. Het door Huygens voorgestelde medium was geweest lichtgevende ether (of in meer gangbare moderne terminologie, ether). Wanneer James Clerk Maxwell een reeks vergelijkingen gekwantificeerd (genaamd Maxwells wetten of Maxwell's vergelijkingen) uitleggen electromagnetische straling (inclusief zichtbaar licht) als de voortplanting van golven, nam hij precies zo'n ether aan als het voortplantingsmedium, en zijn voorspellingen waren consistent met experimentele resultaten.

Het probleem met de golftheorie was dat er nooit een dergelijke ether was gevonden. Niet alleen dat, maar astronomische observaties bij stellaire aberratie door James Bradley in 1720 hadden aangegeven dat ether stationair zou moeten zijn ten opzichte van een bewegende aarde. Gedurende de 19e eeuw werden pogingen gedaan om de ether of zijn beweging rechtstreeks te detecteren, met als hoogtepunt de beroemde Michelson-Morley-experiment. Ze faalden allemaal om de ether daadwerkelijk te detecteren, wat leidde tot een enorm debat toen de twintigste eeuw begon. Was licht een golf of een deeltje?

In 1905 Albert Einstein publiceerde zijn paper om het uit te leggen fotoëlektrisch effect, die voorstelde dat licht reisde als afzonderlijke bundels van energie. De energie in een foton was gerelateerd aan de frequentie van het licht. Deze theorie werd bekend als de foton theorie van licht (hoewel het woord foton pas jaren later werd bedacht).

Met fotonen was de ether niet langer essentieel als voortplantingsmiddel, hoewel het nog steeds de vreemde paradox achterliet waarom golfgedrag werd waargenomen. Nog merkwaardiger waren de kwantumvariaties van het dubbele spleet-experiment en de Compton-effect wat de interpretatie van de deeltjes leek te bevestigen.

Terwijl experimenten werden uitgevoerd en bewijsmateriaal werd verzameld, werden de implicaties snel duidelijk en alarmerend:

Licht functioneert zowel als een deeltje als een golf, afhankelijk van hoe het experiment wordt uitgevoerd en wanneer waarnemingen worden gedaan.

De vraag of dergelijke dualiteit ook in de materie opdook, werd door de stoutmoedigen aangepakt de Broglie hypothese, die het werk van Einstein uitbreidde om de waargenomen golflengte van materie te relateren aan zijn momentum. Experimenten bevestigden de hypothese in 1927, resulterend in een 1929 Nobelprijs voor de Broglie.

Net als licht leek het erop dat materie zowel golf- als deeltjeseigenschappen vertoonde onder de juiste omstandigheden. Het is duidelijk dat massieve objecten zeer kleine golflengten vertonen, zo klein zelfs dat het nogal zinloos is om ze op een golfvorm te beschouwen. Maar voor kleine objecten kan de golflengte waarneembaar en aanzienlijk zijn, zoals blijkt uit het experiment met dubbele spleet met elektronen.

De grote betekenis van de dualiteit van golfdeeltjes is dat alle gedrag van licht en materie kan zijn verklaard door het gebruik van een differentiaalvergelijking die een golffunctie weergeeft, meestal in de vorm van de Schrodinger-vergelijking. Dit vermogen om de realiteit in de vorm van golven te beschrijven, vormt de kern van de kwantummechanica.

De meest gebruikelijke interpretatie is dat de golffunctie de waarschijnlijkheid weergeeft om een ​​bepaald deeltje op een bepaald punt te vinden. Deze waarschijnlijkheidsvergelijkingen kunnen buigen, interfereren en andere golfachtige eigenschappen vertonen, resulterend in een laatste probabilistische golffunctie die ook deze eigenschappen vertoont. Deeltjes worden verdeeld volgens de waarschijnlijkheidswetten en vertonen daarom de golf eigenschappen. Met andere woorden, de kans dat een deeltje zich op een willekeurige locatie bevindt, is een golf, maar de feitelijke fysieke verschijning van dat deeltje is dat niet.

Hoewel de wiskunde, hoewel ingewikkeld, nauwkeurige voorspellingen doet, is de fysieke betekenis van deze vergelijkingen veel moeilijker te begrijpen. De poging om uit te leggen wat de dualiteit van golfdeeltjes eigenlijk betekent, is een belangrijk discussiepunt in de kwantumfysica. Er zijn veel interpretaties om dit te verklaren, maar ze zijn allemaal gebonden aan dezelfde set golfvergelijkingen... en moeten uiteindelijk dezelfde experimentele waarnemingen verklaren.

Bewerkt door Anne Marie Helmenstine, Ph. D.