Aalto-hiukkasdualismi
Aalto-hiukkasdualiteetti on ehkä yksi fysiikan hämmentävimmistä käsitteistä, koska se on niin erilainen kuin mikään tavallisessa maailmassa.
Valoa 1700- ja 1800-luvuilla tutkineet fyysikot kiistelivät siitä, koostuuko valo hiukkasista vai aalloista. Valo näyttää tekevän molempia. Toisinaan valo näyttää kulkevan vain suoraa linjaa, aivan kuin se koostuisi hiukkasista. Toiset kokeet kuitenkin osoittavat, että valolla on taajuus ja aallonpituus, aivan kuten ääni- tai vesiaalloilla. 1900-luvulle asti useimmat fyysikot ajattelivat, että valo oli joko jompaakumpaa ja että väitteen toisella puolella olevat tiedemiehet olivat yksinkertaisesti väärässä.
Nykytilanne
Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton ja Niels Bohr työskentelivät tämän ongelman parissa. Nykyisen tieteellisen teorian mukaan kaikki hiukkaset käyttäytyvät sekä aaltojen että hiukkasten tavoin. Tämä on todennettu alkeishiukkasten ja yhdistelmähiukkasten, kuten atomien ja molekyylien, osalta. Makroskooppisten hiukkasten osalta aalto-ominaisuuksia ei yleensä voida havaita, koska niiden aallonpituus on erittäin lyhyt.
Koe
Vuonna 1909 tiedemies nimeltä Geoffrey Taylor päätti ratkaista tämän väittelyn lopullisesti. Hän lainasi Thomas Youngin aiemmin keksimää koetta, jossa valoa lähetettiin kahden pienen reiän läpi aivan vierekkäin. Kun kirkasta valoa ammuttiin näiden kahden pienen reiän läpi, syntyi interferenssikuvio, joka näytti osoittavan, että valo oli itse asiassa aalto.
Taylorin ideana oli ottaa valokuva rei'istä tulevasta valosta erityisellä kameralla, joka oli poikkeuksellisen herkkä valolle. Kun reikien läpi paistettiin kirkasta valoa, valokuvassa näkyi interferenssikuvio, aivan kuten Young oli aiemmin osoittanut. Sitten Taylor vähensi valon voimakkuuden hyvin himmeäksi. Kun valo oli tarpeeksi hämärää, Taylorin valokuvissa näkyi pieniä valopisteitä, jotka sirottelivat rei'istä. Tämä näytti osoittavan, että valo oli itse asiassa hiukkanen. Jos Taylor antoi hämärän valon loistaa reikien läpi tarpeeksi kauan, pisteet täyttivät lopulta valokuvan ja muodostivat jälleen interferenssikuvion. Tämä osoitti, että valo oli jotenkin sekä aalto että hiukkanen.
Vielä hämmentävämmäksi asian teki Louis de Broglie, joka ehdotti, että aine voisi toimia samalla tavalla. Sitten tutkijat tekivät samat kokeet elektroneilla ja havaitsivat, että elektronitkin ovat jotenkin sekä hiukkasia että aaltoja. Elektronien avulla voidaan tehdä Youngin kaksoissäleikokoe.
Nykyään nämä kokeet on tehty niin monella eri tavalla niin monien eri ihmisten toimesta, että tiedemiehet yksinkertaisesti hyväksyvät, että sekä aine että valo ovat jotenkin sekä aaltoja että hiukkasia. Tutkijat ovat edelleen epävarmoja siitä, miten tämä voi olla mahdollista, mutta he ovat melko varmoja siitä, että sen täytyy olla totta. Vaikka tuntuu mahdottomalta ymmärtää, miten jokin voi olla sekä aalto että hiukkanen, tiedemiehillä on kuitenkin useita yhtälöitä näiden asioiden kuvaamiseksi, joissa on muuttujia sekä aallonpituudelle (aalto-ominaisuus) että impulssille (hiukkasominaisuus). Tätä näennäistä mahdottomuutta kutsutaan aalto-hiukkasdualiteetiksi.
Perusteoria
Aalto-hiukkasdualismi tarkoittaa, että kaikilla hiukkasilla on sekä aalto- että hiukkasominaisuuksia. Tämä on kvanttimekaniikan keskeinen käsite. Klassiset käsitteet, kuten "hiukkanen" ja "aalto", eivät täysin kuvaa kvanttimittakaavan kohteiden käyttäytymistä.
Hiukkaset aaltoina
Elektronilla on aallonpituus, jota kutsutaan "de Broglie-aallonpituudeksi". Se voidaan laskea yhtälön avulla
λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}} 
λ D {\displaystyle \lambda _{D}}
on de Broglien aallonpituus.
h {\displaystyle h}
on Planckin vakio.
ρ \displaystyle \rho }
on hiukkasen momentti.
Näin syntyi ajatus siitä, että atomien elektronit näyttävät seisovaa aaltokuviota.
Aallot hiukkasina
Valosähköinen ilmiö osoittaa, että valofotoni, jolla on tarpeeksi energiaa (riittävän korkea taajuus), voi saada aikaan elektronin irtoamisen metallin pinnasta. Tällöin elektroneja voidaan kutsua fotoelektroneiksi.
Aiheeseen liittyvät sivut
