Wyobraźmy sobie, że rzucamy piłkami w lesie, pomiędzy stojącymi blisko drzewami. Każda piłka może uderzyć tylko w jedno drzewo w tym samym momencie. Sytuacja, w której uderzyłaby w dwa drzewa, jednocześnie wydaje się być nielogiczna. Jakie musiało więc być zdziwienie fizyków, gdy odkryli, że ten zdrowy rozsądek przestaje obowiązywać dla bardzo małych obiektów. Tak zwany dualizm korpuskularno-falowy to zjawisko polegające na tym, że w skali mikro obiekty wykazują zarówno cechy cząstek, jak i fal. Odkrycie dualizmu światła i materii na początku XX wieku zmieniło nasze spojrzenie nie tylko na rzeczywistość, w której żyjemy, ale na samą fizykę jako naukę. W jaki jednak sposób fizykom udało się odkryć to, co nie śniło się naszym filozofom?

Zanim odkryto dualizm światła, w fizyce pojawiły się dwie główne koncepcje dotyczące jego natury. Pierwszą z nich była teoria korpuskularna wprowadzona przez Izaaka Newtona w XVII wieku. Angielski fizyk uważał, że światło składa się z mikroskopijnych cząsteczek, które pędzą przez kosmos niczym małe pociski. Teorię korpuskularną Newton argumentował między innymi istnieniem cieni.

Na początku XVIII wieku zupełnie odmienną koncepcję przedstawił holenderski fizyk Christiaan Huygens, który uważał, że światło jest falą. Jeżeli wyobrazimy sobie światło rozchodzące się od zapalonej świecy, czy lampy, w bardzo dużym spowolnieniu, to odkryjemy, że rozchodzi się po powierzchni sfery, niczym fala dźwiękowa w powietrzu. Według teorii falowej cienie za nieprzeźroczystymi ciałami istnieją dzięki bardzo małej długości fali świetlnej. Można to porównać do jeziora, po którym płynie bardzo duży statek. Załóżmy, że z jednego miejsca na brzegu rozchodzą się niewielkie fale. Statek będzie je blokował, dzięki swoim rozmiarom, przez co powstanie za nim cień.

Oczywiste jest, że obaj fizycy nie mogli mieć racji. Aby można było stwierdzić która teoria była prawdziwa, potrzebne było doświadczenie mogące jednoznacznie odróżnić fale od strumienia cząstek. Idealnym do tego celu okazało się tzw. doświadczenie z dwoma szczelinami. Polega ono na przepuszczeniu badanego obiektu przez jakąś zasłonę, w której znajdują się 2 wąskie szczeliny. Jeżeli badane są cząstki (np. pociski wystrzelone z karabinu maszynowego), to okazuje się, że ich rozkład trafień za zasłoną jest bardzo prosty. Ponadto istnieje szansa na odkrycie, że pociski zawsze przybywają w „grudkach”. W wypadku fal sprawa ma się zupełnie inaczej. Można zaobserwować zupełnie dowolną wartość natężenia fali na ekranie, a jeśli szczeliny są dostatecznie małe, rozkład natężenia będzie dużo bardziej skomplikowany, niż dla cząstek.

Radosław Kubiś

Schematyczne przedstawienie doświadczenia z dwoma szczelinami (dla pocisków). Generator wytwarza pociski, kieruje je w stronę zasłony, a ruchomy detektor bada, jak często pociski trafiają w określone miejsce na ekranie. Lewy wykres przedstawia przewidywane rezultaty dla cząstek,
a prawy dla fal.

Dla światła doświadczenie z dwiema szczelinami wykonał po raz pierwszy w 1801r. Thomas Young. Udało mu się uzyskać obraz interferencji światła. Był to jednoznaczny dowód na słuszność teorii falowej. W następnym latach XIX wieku szkocki fizyk James Maxwell wykazał, że światło jest w rzeczywistości falą elektromagnetyczną, co było ostatnim gwoździem do trumny korpuskularnej teorii Newtona.

Istnieje bardzo prosty sposób na zaobserwowanie falowej natury światła. Pomiędzy palcem wskazującym, a środkowym należy zrobić wąską szparkę. Patrząc przez nią na jakiś jasny obiekt (np. włączony ekran komputera) można, przy odpowiednio wąskiej szczelinie, dostrzec ciemne prążki pomiędzy palcami. Powstają one za sprawą dyfrakcji światła wewnątrz szczeliny, a ponieważ dyfrakcja zachodzi tylko dla fal, stanowi przykład falowej natury światła.

Pod koniec XIX w. wśród fizyków coraz powszechniejsza stawała się idea „ukończenia fizyki”. Naukowcom wydawało się, że do zbadania pozostało tylko kilka zjawisk. Jednym z nich był rozkład promieniowania ciała doskonale czarnego, czyli obiektu, który pochłania całe światło, które na niego padnie. Ciała takie na Ziemi nie występują, można jednak zbudować ich model w postaci pudełka z niewielkim otworkiem. Jak się okazało, żadna dziewiętnastowieczna teoria fizyczna nie była w stanie wytłumaczyć rozkładu promieniowania takich obiektów. Zagadkę ciała doskonale czarnego rozwiązał Max Planck w 1900 r. W swojej pracy przedstawił śmiałą tezę, że energia jest skwantowana, czyli może być pochłaniana i wypromieniowywana jedynie jako wielokrotność pewnej wartości podstawowej, czyli kwantu. Oznaczało to, że światło powstaje i znika w „grudkach”.

Wykres przedstawia rozkład promieniowania dla ciała doskonale czarnego w różnych temperaturach. Przerywana linia pokazuje przewidywane wartości według dziewiętnastowiecznej termodynamiki.

Odkrycie kwantów energii przez Plancka pozwoliło na rozwiązanie innego problemu, z którym nie radziły sobie teorie klasyczne. Mowa tu o zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym. Jeżeli oświetlimy metalową płytkę, zaczną z niej wyskakiwać elektrony. Dzieje się tak jednak tylko dla światła o długości fal mniejszej od pewnej wartości granicznej. Takie zachowanie okazało się niewytłumaczalne dla falowej teorii światła. Rozwiązanie tego problemu przyniosła praca Alberta Einsteina z 1905 roku. Einstein uznał, że światło składa się z cząstek, nazwanych fotonami, które niczym pociski uderzają w elektrony i wybijają je. Energia tych pocisków jest równa kwantom wprowadzonym przez Plancka. Jeśli na metal skierujemy światło o zbyt dużej długości fal, będzie to przypominać strzelanie w niego kulkami z waty.

W ten sposób Einstein wprowadził pojęcie dualizmu korpuskularno-falowego światła. Doświadczenie Younga udowadnia, że światło jest falą, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, że składa się z cząstek. Okazuje się, że światło jest jednocześnie falą i strumieniem cząstek, a to, która natura się ujawni, zależy tylko od przeprowadzonego doświadczenia. Po odkryciu Einsteina zaczęto się zastanawiać, czy dualizm dotyczy tylko światła. W 1924 r. Louis de Broglie wysunął hipotezę, że każdej cząstce materii można przypisać pewną falę.

Należało jednak sprawdzić, czy hipoteza de Broglie’a ma jakiekolwiek poparcie w rzeczywistości.

W 1927 roku dwaj fizycy, Clinton Davisson i Lester Germer, postanowili sprawdzić, czy elektrony wykazują dualizm. Przepuścili wiązkę elektronów przez kryształy niklu. Atomy niklu w kryształach stanowią przeszkodę dla elektronów niczym drzewa w lesie dla rzuconej piłki. Okazało się jednak, że elektrony nie zachowują się jak piłki, a badacze uzyskali obraz ich interferencji. Udało się więc doświadczalnie potwierdzić dualizm korpuskularno-falowy dla elektronów. W następnych latach udało się to również dla innych cząstek, protonów, a nawet całych atomów.

Odkrycia z początku XX wieku dały początek nowej gałęzi fizyki: mechanice kwantowej. Dualizm korpuskularno-falowy wydaje się być fundamentalną właściwością całej materii i na dobre zagościł na stronach podręczników fizyki.

Artykuł napisał Radosław Kubiś.

Autor

Redakcja AstroNETu
Redakcja AstroNETu