Laineosakeste duaalsuse põhimõte kvantfüüsika leiab, et mateeria ja valgus näitavad nii lainete kui ka osakeste käitumist, sõltuvalt katse asjaoludest. See on keeruline teema, kuid füüsikas kõige intrigeerivam.
Laineosakeste duaalsus valguses
1600. aastatel Christiaan Huygens ja Isaac Newton pakkus välja konkureerivad teooriad valguse käitumise osas. Huygens pakkus välja valguse laineteooria, Newtoni aga valguskeha (osakeste) teooria. Huygeni teoorias oli vaatluse sobitamisel mõned probleemid ja Newtoni prestiiž aitas tema teooriale tuge pakkuda, nii et üle sajandi oli Newtoni teooria domineeriv.
XIX sajandi alguses tekkisid keha korpuskulaarsele valgusteooriale komplikatsioonid. Difraktsioon oli ühe asja puhul täheldatud, mida tal oli raskusi piisava selgitusega. Thomas Youngi topeltpilu eksperiment tulemuseks oli ilmne lainekäitumine ja näis toetavat kindlalt valguse laineteooriat Newtoni osakeste teooria kohal.
Laine peab üldiselt levima mingisuguse kandja kaudu. Huygeni pakutud keskkond oli
helendav eeter (või levinumas kaasaegses terminoloogias, eeter). Millal James Clerk Maxwell kvantifitseeris võrrandite kogumi (nn Maxwelli seadused või Maxwelli võrrandid) selgitama elektromagnetiline kiirgus (kaasa arvatud nähtav valgus) kui lainete levikut, eeldas ta just sellist eetrit nagu levimiskeskkond ja tema ennustused olid kooskõlas katsetulemustega.Laineteooria probleemiks oli see, et sellist eetrit polnud kunagi leitud. Ja mitte ainult, kuid astronoomilised tähelepanekud James Bradley poolt 1720. aastal tehtud tähehälvetes näitasid, et eeter peaks liikumava Maa suhtes olema paigal. Kogu 1800-ndate aastate vältel üritati eetrit või selle liikumist otseselt tuvastada, kulmineerudes kuulsaga Michelson-Morley eksperiment. Kõigil neil ei õnnestunud eetrit tuvastada, mille tulemuseks oli XX sajandi algul tohutu arutelu. Kas valgus oli laine või osake?
Aastal 1905 Albert Einstein avaldas oma töö, et selgitada fotoelektriline efekt, mis tegi ettepaneku, et valgus liikus diskreetsete energiakimpudena. Fotonis sisalduv energia oli seotud valguse sagedusega. Seda teooriat hakati nimetama footoniteooria valgust (kuigi sõna footon loodi alles aastaid hiljem).
Fotonite puhul polnud eeter enam levimisvahendina hädavajalik, ehkki see jättis siiski veidra paradoksi, miks lainete käitumist täheldati. Veelgi omapärasemad olid topeltpiluga eksperimendi ja Komptoni efekt mis näis kinnitavat osakeste tõlgendamist.
Katsete tegemisel ja tõendite kogumisel muutusid tagajärjed kiiresti selgeks ja murettekitavaks:
Valgus toimib nii osakeste kui ka lainetena, sõltuvalt katse läbiviimise viisist ja vaatluste tegemisest.
Laineosakeste duaalsus küsimuses
Küsimusele, kas selline duaalsus ilmnes ka aines, lahendati julgelt de Broglie hüpotees, mis laiendas Einsteini tööd, et seostada vaadeldav aine lainepikkus selle hooga. Eksperimendid kinnitasid hüpoteesi 1927. aastal, mille tulemusel anti 1929. aastal Nobeli preemia de Broglie.
Nii nagu valgus, tundus, et mateeria omab õigetel tingimustel nii laine kui ka osakeste omadusi. Ilmselt on massiivsetel objektidel väga väikesed lainepikkused, nii väikesed, et neid on üsna mõttetu lainekujunduses mõelda. Kuid väikeste objektide puhul võib lainepikkus olla vaadeldav ja märkimisväärne, mida tõendab kahekordse piluga katse elektronidega.
Laineosakeste duaalsuse olulisus
Laineosakeste duaalsuse peamine tähendus on see, et valguse ja aine käitumine võib olla igasugune selgitatakse diferentsiaalvõrrandi abil, mis tähistab lainefunktsiooni, üldiselt kujul selle Schrodingeri võrrand. See võime kirjeldada reaalsust lainete kujul on kvantmehaanika keskmes.
Kõige tavalisem tõlgendus on see, et lainefunktsioon tähistab antud osakese leidmise tõenäosust antud punktis. Need tõenäosusvõrrandid võivad difrakteeruda, häirida ja avaldada muid lainetaolisi omadusi, mille tulemuseks on lõplik tõenäosuslainefunktsioon, millel on ka need omadused. Osakesed jaotuvad vastavalt tõenäosusseadustele ja seetõttu eksponeeritakse laine omadused. Teisisõnu, osakese tõenäosus suvalises asukohas on laine, kuid selle osakese tegelik füüsiline välimus pole.
Ehkki matemaatika teeb keerulisi ennustusi, on täpsed ennustused, kuid nende võrrandite füüsikalist tähendust on palju raskem mõista. Püüe selgitada, mida laineosakeste duaalsus "tegelikult tähendab", on kvantfüüsika põhipunkt. Selle seletamiseks on olemas palju tõlgendusi, kuid neid seovad kõik samad lainevõrrandite komplektid... ja lõpuks peavad nad selgitama samu eksperimentaalseid tähelepanekuid.
Toimetanud Anne Marie Helmenstine, Ph.