Aalto-hiukkasdualismi
Wikipedia
Aalto-hiukkasdualismi on kvanttimekaniikassa havaittu ilmiö, jossa sähkömagneettisella säteilyllä ja aineella on samanaikaisesti sekä aaltoliikkeen että hiukkasten ominaisuuksia. Valon aaltoliikkeen puolesta puhuu mm. sen interferenssi esimerkiksi diffraktion yhteydessä ja polarisaatio. Hiukkasiin taas viittaavat mm. valosähköinen ilmiö, mustan kappaleen säteily ja Comptonin sironta.
Jo Isaac Newtonin aikana fyysikoilla oli vaikeuksia päättää, koostuuko valo aalloista vai hiukkasista. Newton itse päätyi hiukkaskäsitykseen, vaikka olikin häkeltynyt mm. valon kahden pinnan osittaisheijastumista koskevista ongelmista. Hän tiesi, että yhteen lasipintaan osuvasta valosta tietty määrä kulkee lasin läpi ja pienempi osa heijastuu siitä. Jos tämän pinnan taakse asetetaan toinen, heijastuminen muuttuu hämmästyttävästi: tietyillä lasin paksuuksilla valoa ei heijastu lainkaan, toisilla taas huomattavasti enemmän kuin yhden pinnan tapauksessa. Tämä oli mysteeri tuon ajan fyysikoille: miten jälkimmäinen pinta voi vaikuttaa ensimmäisestä pinnasta jo heijastuneeseen valoon eli miten valo tietää kuinka monta pintaa sillä on edessään? Newton päätteli, että valolla on joko "taipumus heijastua" tai "taipumus olla heijastumatta", ja tuo taipumus riippuu lasin paksuudesta. Tätä pidemmälle hänellä ei ollut mahdollista päästä. Myöhemmin ilmiö selitettiin valon aalto-ominaisuuksien avulla: kyse on interferenssistä. Jos ensimmäisestä ja toisesta pinnasta heijastuneet fotonit ovat eri vaiheissa, ne sammuttavat toisensa (valoa ei heijastu lainkaan), samassa vaiheessa olevat puolestaan vahvistavat (valoa heijastuu paljon).
1900-luvun vaihteessa ongelma alkoi ratketa. Albert Einstein onnistui vuonna 1905 selittämään valosähköisen ilmiön, jossa metallista irtoaa elektroneja kun sitä valaistaan tietyn aallonpituuden alittavalla valolla. Einstein keksi että tuleva valo absorboituu kvantteina, ja vain tietyn energian ylittävä valopaketti, fotoni, pystyy irrottamaan elektronin metallista. Ajatus oli käänteentekevä, sillä Thomas Young oli kaksoisrakokokeellaan osoittanut jo 1803, että valon taipuminen hilassa todistaa sen olevan aaltoliikettä. Valon täytyy siis olla yhtä aikaa aaltoliikettä ja hiukkasia. Väite herätti tiukkaa vastarintaa ja useat fyysikot, mm. Robert Millikan ja Niels Bohr näkivät sen vieraana ja outona.
Einstein sai valosähköisen ilmiön selvittämisestä Nobelin palkinnon vuonna 1921. Nobel-komitea näki kuitenkin parhaaksi sanoa itsensä irti valon hiukkasluonteesta ja myönsi palkinnon vain matemaattisen teorian pohjalta, jossa hiukkasluonne nähtiin vain keinona kuvata havaittuja ilmiöitä.
Vuonna 1923 Louis de Broglie ehdotti, että säteilyn aalto-hiukkasdualismilla voisi olla vastineensa hiukkasilla. De Broglie johti kaavan
,
jossa hiukkasen aallonpituus on Planckin vakio jaettuna hiukkasen liikemäärällä. De Broglien teoria perustui enemmänkin symmetrian kaipuuseen kuin mihinkään empiiriseen havaintoaineistoon, mutta oletus osoittautui oikeaksi. Elektronien aaltoluonne voidaan saada näkyviin esimerkiksi tarkastelemalla elektronisuihkun sirontaa kiteisen aineen pinnasta. Sen tärkeä sovellus on elektronimikroskooppi.
