Vlnově-částicový dualismus

Dualita vlny a částice je pravděpodobně jedním z nejzmatenějších pojmů ve fyzice, protože se tolik liší od všeho, co vidíme v běžném světě.

Fyzikové, kteří v 17. a 19. století zkoumali světlo, se přeli o to, zda je světlo tvořeno částicemi nebo vlnami. Zdá se, že světlo dělá obojí. Někdy se zdá, že světlo jde pouze po přímce, jako by bylo složeno z částic. Jiné experimenty však ukazují, že světlo má frekvenci a vlnovou délku, stejně jako zvuková nebo vodní vlna. Až do 20. století si většina fyziků myslela, že světlo je buď jedno, nebo druhé, a že vědci na druhé straně sporu se prostě mýlí.

Současná situace

Na tomto problému pracovali Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton a Niels Bohr. Podle současné vědecké teorie se všechny částice chovají jako vlny i jako částice. To bylo ověřeno pro elementární částice i pro složené částice, jako jsou atomy a molekuly. U makroskopických částic se vlnové vlastnosti vzhledem k jejich extrémně krátkým vlnovým délkám obvykle nedají zjistit.

Experiment

V roce 1909 se vědec Geoffrey Taylor rozhodl, že tento spor jednou provždy vyřeší. Vypůjčil si experiment, který již dříve vymyslel Thomas Young a při němž se světlo prosvěcovalo dvěma malými otvory těsně vedle sebe. Když těmito dvěma malými otvory prosvítilo jasné světlo, vytvořilo interferenční obrazec, který zdánlivě dokazoval, že světlo je ve skutečnosti vlnění.

Taylora napadlo vyfotografovat světlo vycházející z otvorů speciálním fotoaparátem, který byl neobyčejně citlivý na světlo. Když otvory prosvítilo jasné světlo, na fotografii se objevil interferenční obrazec, přesně takový, jaký Young ukázal dříve. Taylor pak ztlumil světlo na velmi slabou úroveň. Když bylo světlo dostatečně tlumené, Taylorovy fotografie ukázaly drobné světelné body rozptýlené z otvorů. Zdálo se, že to ukazuje, že světlo je skutečně částice. Pokud Taylor nechal tlumené světlo prosvítat otvory dostatečně dlouho, tečky nakonec zaplnily fotografii a vytvořily opět interferenční obrazec. To dokazovalo, že světlo je nějakým způsobem jak vlna, tak částice.

Aby to bylo ještě zamotanější, Louis de Broglie navrhl, že stejným způsobem se může chovat i hmota. Vědci pak provedli stejné pokusy s elektrony a zjistili, že i elektrony jsou nějakým způsobem jak částice, tak vlny. Elektrony lze použít k provedení Youngova pokusu s dvojitou štěrbinou.

Dnes tyto experimenty provádělo tolik různých lidí tolika různými způsoby, že vědci jednoduše přijali, že hmota i světlo jsou nějakým způsobem vlny i částice. Vědci si stále nejsou jisti, jak je to možné, ale jsou si zcela jisti, že to musí být pravda. Ačkoli se zdá nemožné pochopit, jak může být cokoli zároveň vlnou i částicí, vědci mají pro popis těchto věcí řadu rovnic, které mají proměnné jak pro vlnovou délku (vlnová vlastnost), tak pro hybnost (částicová vlastnost). Tato zdánlivá nemožnost se označuje jako vlnově-částicový dualismus.

Základní teorie

Vlnově-částicový dualismus znamená, že všechny částice vykazují jak vlnové, tak částicové vlastnosti. Jedná se o ústřední koncept kvantové mechaniky. Klasické pojmy jako "částice" a "vlna" plně nepopisují chování objektů kvantového měřítka.

Částice jako vlny

Elektron má vlnovou délku, která se nazývá "de Broglieho vlnová délka". Lze ji vypočítat pomocí rovnice

λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}} $\lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}$

λ D {\displaystyle \lambda _{D}} $\lambda _{D}$ je de Broglieho vlnová délka.

h {\displaystyle h} $h$ je Planckova konstanta.

ρ {\displaystyle \rho } $\rho$ je hybnost částice.

To vedlo k myšlence, že elektrony v atomech vykazují stojaté vlnění.

Vlny jako částice

Fotoelektrický jev ukazuje, že světelný foton, který má dostatečnou energii (dostatečně vysokou frekvenci), může způsobit uvolnění elektronu z povrchu kovu. Elektrony se v tomto případě nazývají fotoelektrony.