Hvernig skýra menn tvíeðli ljóss (bylgjur og agnir)?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig skýra menn tvíeðli ljóss (bylgjur og agnir)?
Eðlisfræðingar sögunnar hafa haft margs konar hugmyndir um eðli ljóss. Kenningar Newtons (1642-1727) um ljós gerðu ráð fyrir að það væri straumur agna sem ætti uppsprettu sína í ljósgjöfum og endurkastaðist af flötum kringum okkur.

James Maxwell (1831-1879) setti seinna fram fjórar grundvallarjöfnur sem lýsa bylgjueiginleikum rafsegulsviðs og fólu í sér að ljós væri rafsegulbylgjur. Tilraunir með ljós sem framkvæmdar voru undir lok 19. aldar renndu styrkum stoðum undir kenningar Maxwells.

Kringum aldamótin voru hins vegar einnig gerðar tilraunir með ljósröfun, sem engan veginn var hægt að skýra með bylgjukenningunni. Ljósröfun felst í því að ljósi er beint á málmyfirborð og við það losna rafeindir frá yfirborði málmsins. Hér kom Einstein (1879-1955) til sögunnar og stuttu eftir aldamótin skýrði hann niðurstöður þessara tilrauna með því að styðjast við hugmyndir Plancks (1858-1947) um skammtaeðli ljóss, það er að rafsegulbylgjur séu skammtaðar og líta megi á þær sem straum agna sem hver flytur ákveðna orku sem háð er tíðni (lit) ljóssins. Þessar agnir köllum við í dag ljóseindir. Hins vegar er ekki hægt að varpa bylgjukenningunni fyrir borð því að marga eiginleika ljóss er aðeins hægt að skýra ef gert er ráð fyrir að ljós sé bylgjur og jöfnur Maxwells teljast enn fullgildar.

Árið 1924 setti eðlisfræðingurinn de Broglie (1892-1987) fram þá kenningu að efnisagnir hefðu sama tvíeðli og ljós, það er að agnir eins og rafeindir sýndu í sumum tilfellum eiginleika sem aðeins væri hægt að skýra með bylgjukenningu. Þessar hugmyndir voru undanfari skammtafræðinnar og ýmislegt hefur verið rætt um þær hér á vísindavefnum (sjá hlekki neðst).

Í raun er ekki hægt að skýra þetta tvíeðli ljóss og agna. Eðlisfræði og önnur raunvísindi geta aðeins skýrt hluti upp að ákveðnu marki; til dæmis er hægt að skýra hvers vegna hlutir falla til jarðar með því að vísa í kenningar um aðdráttarkraft og þyngdarsvið. Enginn getur hins vegar skýrt hvað þyngdarsvið er í raun og veru. Eðlisfræðin leitast við að lýsa þeim fyrirbærum sem við sjáum í náttúrunni og tengja þau saman í kerfi sem setja má fram á stærðfræðilegan hátt. Skammtafræðin getur lýst nákvæmlega bylgju- og agnahegðun ljóseinda og efniseinda stærðfræðilega, en sá eiginleiki sem birtist okkur í hvert skipti er háður því hvers konar mælingu við veljum að gera og forsagnir okkar fara raunar líka eftir því.

Fram til þessa hefur meira að segja verið talið að engin leið væri að mæla samtímis bylgju- og agnaeiginleika ljóss. Þann 9. október síðastliðinn birtu vísindamenn við háskólann í Oregon í Bandaríkjunum hins vegar niðurstöður tilrauna þar sem ljósögn og ljósbylgja sem stafa frá sama atburði eru mældar samtímis. Nánari upplýsingar um þessa tímamótauppgötvun má finna á þessari síðu.

Mynd:

• James Clerk Maxwell.png - Wikimedia Commons.

...