דואליות חלקיקי הגל ואיך זה עובד

עקרון הדואליות של חלקיקי הגל של פיזיקה קוונטית גורס כי חומר ואור מראים התנהגויות של גלים וחלקיקים כאחד, תלוי בנסיבות הניסוי. זה נושא מורכב אך בין המסקרנים ביותר בפיזיקה.

בשנות ה- 1600, כריסטיאן הויגנס ו אייזק ניוטון הציע תיאוריות מתחרות על התנהגות האור. הויגנס הציע תיאוריית גלי אור ואילו ניוטון הייתה תיאוריית אור "גופית" (חלקיק). בתיאוריה של הויגנס היו כמה סוגיות בהתאמה בין התבוננות ויוקרתו של ניוטון סייעה לתמוך בתיאוריה שלו, כך שלמעלה ממאה שנים התיאוריה של ניוטון הייתה דומיננטית.

בראשית המאה התשע-עשרה עלו סיבוכים לתורת האור הגופית. דיפרקציה הדבר נצפה, דבר אחד, שהוא התקשה להסביר כראוי. הניסוי הכפול של תומאס יאנג הביא להתנהגות גלים ברורה ונראה היה שתומך בתקיפות בתורת הגלים על תאוריית החלקיקים של ניוטון.

בדרך כלל גל צריך להתפשט באמצעות מדיום מסוג כלשהו. המדיום שהציע הייגנס היה אתר זוהר (או במינוח מודרני נפוץ יותר, אתר). מתי ג'יימס קלקר מקסוול כמת קבוצה של משוואות (נקרא החוקים של מקסוול או המשוואות של מקסוול) להסביר קרינה אלקטרומגנטית (כולל אור נראה) בתור התפשטות הגלים, הוא הניח אתר כזה בדיוק כמו אמצעי ההתפשטות, ותחזיותיו תואמות את תוצאות הניסוי.

הבעיה עם תורת הגלים הייתה שמעולם לא נמצא אתר כזה. לא רק זאת, אלא שתצפיות אסטרונומיות בסטייה מהממים של ג'יימס ברדלי בשנת 1720 הצביעו על כך שהאתר יצטרך להיות נייח יחסית לכדור הארץ הנע. לאורך שנות ה- 1800 נעשו ניסיונות לאתר את האתר או את תנועתו באופן ישיר, והגיע לשיאו במפורסם ניסוי של מייקלסון-מורלי. כולם לא הצליחו לאתר את האתר בפועל, וכתוצאה מכך התפתח ויכוח עצום עם תחילת המאה העשרים. האם אור היה גל או חלקיק?

בשנת 1905, אלברט איינשטיין פרסם את מאמרו כדי להסביר את אפקט פוטואלקטרישהציע שהאור יעבור כצרורות אנרגיה נפרדים. האנרגיה הכלולה בפוטון הייתה קשורה לתדר האור. תיאוריה זו נודעה בשם תורת הפוטונים של אור (למרות שהמילה פוטון לא נטבעה רק אחרי שנים אחר כך).

עם פוטונים, האתר כבר לא היה חיוני כאמצעי התפשטות, למרות שהוא עדיין הותיר את הפרדוקס המוזר של הסיבה לכך שנצפתה התנהגות גלים. עוד יותר משונה היו הווריאציות הקוונטיות של הניסוי הכפול לחריץ וה- אפקט קומפטון מה שכנראה מאשר את פרשנות החלקיקים.

ככל שבוצעו ניסויים והצטברו ראיות, ההשלכות התבהרו במהירות ומבהילות:

האור מתפקד כחלקיק וגם כגל, בהתאם לאופן הניסוי ומתי נערכות תצפיות.

השאלה אם הדואליות כזו הופיעה גם בחומר טופלה על ידי הנועזים השערת דה ברוגלי, שהאריך את עבודתו של אינשטיין כדי לקשר את אורך הגל הנצפה של החומר לתנופה שלו. ניסויים אישרו את ההשערה בשנת 1927, והתוצאה היא פרס נובל לשנת 1929 דה ברוגלי.

ממש כמו אור, נראה היה שהחומר מציג תכונות גל וגם של חלקיקים בנסיבות הנכונות. ברור שחפצים מסיביים מציגים אורכי גל קטנים מאוד, כה קטנים למעשה, עד כי אין טעם לחשוב עליהם בצורה גלית. אבל עבור עצמים קטנים, אורך הגל יכול להיות ניתן לצפייה ומשמעותי, כפי שמעיד ניסוי הכפול עם חריצים באלקטרונים.

המשמעות העיקרית של הדואליות בין חלקיקי הגל היא שכל התנהגות האור והחומר יכולה להיות הוסבר באמצעות משוואה דיפרנציאלית המייצגת פונקצית גל, בדרך כלל בצורה של ה משוואת שרדינגר. יכולת זו לתאר את המציאות בצורה של גלים היא לב לבה של מכניקת הקוונטים.

הפרשנות הנפוצה ביותר היא שתפקוד הגל מייצג את ההסתברות למצוא חלקיק נתון בנקודה נתונה. משוואות הסתברות אלה יכולות להסיח את הדעת, להפריע ולהציג תכונות דומות לגל אחרות, וכתוצאה מכך פונקצית גל הסתברותית סופית המציגה גם תכונות אלה. החלקיקים מופצים בסופו של דבר על פי חוקי ההסתברות ולכן מציגים את ה- תכונות גל. במילים אחרות, ההסתברות לחלקיק להיות במקום כלשהו היא גל, אך המראה הפיזי בפועל של אותו חלקיק אינו.

בעוד שהמתמטיקה, אף על פי שהיא מורכבת, עושה חיזויים מדויקים, המשמעות הפיזית של משוואות אלה קשה הרבה יותר לתפוס. הניסיון להסביר מה הכוונה בפועל "הדואליות בחלקיקי הגל" הוא נקודת מפתח לוויכוח בפיזיקת הקוונטים. קיימות פרשנויות רבות כדי לנסות להסביר זאת, אך כולן קשורות לאותה קבוצה של משוואות גלים... ובסופו של דבר, חייבים להסביר את אותן תצפיות ניסיוניות.

נערך על ידי אן מארי הלמנסטין, ד.