Jeden z niezwykłych faktów fizyki.
Wszystko we wszechświecie, od światła po elektrony, aż do atomów,
zachowuje się jak cząstka i fala w tym samym czasie.
Inne dziwne rzeczy, które słyszy się o fizyce kwantowej,
Kot Schrodingera, Bóg grający w kości, czy “upiorne oddziaływanie na odległość”,
wypływają bezpośrednio z faktu,
że wszystko posiada jednocześnie naturę cząstki i fali.
To może wydawać się szalone.
Kiedy patrzysz dookoła, widzisz fale w wodzie i cząsteczki skały
tak niepodobne do siebie.
Dlaczego miałyby być ze sobą połączone?
Fizycy nie zdecydowali się pomieszać tych rzeczy bez powodu.
Do podwójnej natury wszechświata doszli
małymi kroczkami,
składając ze sobą wiele dowodów jak kawałki puzzli.
Pierwszy, który zasugerował podwójną naturę światła,
był Albert Einstein, w 1905 roku,
ale podchwycił wcześniejszą ideę zaproponowaną przez Maxa Plancka.
Planck wyjaśnił barwy światła emitowanego przez rozgrzane objekty,
jak na przykład żarnik w żarówce,
ale aby tego dokonać, musiał użyć sztuczki.
Powiedział, że obiekt składał się z oscylatorów,
które mogły emitować światło jedynie w oddzielnych porcjach,
których energia zależała od częstotliwości światła.
Planck był niezadowolony z tej koncepcji, ale za to podchwcił ją Einstein.
Zastosował ideę Plancka do światła, uznając, że światło,
powszechnie uznawane za falę, jest tak naprawdę strumieniem fotonów,
a każdy z nich posiada sporcjonowaną energię.
Einstein uznał, że to jedyny przełom, którego dokonał, ale wyjaśnia to,
czemu oświetlając metalową powierzchnię, następuje emisja swobodnych elektronów.
Nawet przeciwnicy tej idei musieli przyznać, że jest doskonała.
Kolejną część układanki dodał Ernest Rutherford z Anglii.
Ernest Marsden i Hans Geiger, w roku 1909, pracując dla Rutherforda,
uderzali cząstkami alfa w atomy złota
i byli zdumieni, odkrywając, że niektóre z nich odbiły się.
To pokazało, że masa atomu koncentruje się w niewielkim jądrze.
Obraz atomu znany ze szkoły,
czyli elektrony orbitujące jak maleńki układ słoneczny,
to model Rutherforda.
Problem w tym, że atom Rutherforda nie może działać.
Zgodnie z tradycyjną fizyką, elektron,
który porusza się po okręgu, emituje światło,
z czego korzysta się stale, aby wytworzyć fale radiowe i promienie X
Atomy Rutherforda powinny rozpraszać promienie X
we wszystkich kierunkach, przez krótką chwilę,
zanim elektron zderzy się z jądrem.
Niels Bor, duński fizyk teoretyczny, który pracował z Rutherfordem,
zwrócił uwagę na to, że atomy jednak istnieją,
więc może należy zmienić zasady fizyki.
Bohr zaproponował, że elekton w pewnych określonych orbitach
nie emituje światła.
Atomy absorbują i emitują światło, kiedy elektrony zmieniają orbity,
a częstotliwość światła zależy od różnicy energii,
czyli tak, jak to zaproponowali Planck i Einstein.
Atom Bohra rozwiązuje problem Rutherforda
i wyjaśnia, dlaczego atomy emitują ściśle określone barwy światła.
Każda cząstka ma swoją określoną orbitę
i sobie właściwy zestaw częstotliwości.
Z modelem Bohra jest mały problem.
Nie ma powodu, aby orbity były wyjątkowe.
Louis de Broglie, fracuski doktorant,
sprawił, że wszystko zatoczyło koło.
Zasugerował, że jeśli światło, które uznaje się za falę,
zachowuje się jak cząstka,
to może elekton, uznawany za cząstkę,
zachowuje się jak fala.
Jeśli elekrony zachowują się jak fale,
wtedy łatwo wyjaśnić zasadę Bohra, dotyczącą wyboru specjalnych orbit.
Wiedza o elektronach, które zachowują się jak fale,
pozwala ich szukać.
W ciągu kilku lat naukowcy z USA i Wielkiej Brytanii
zaobserwowali elektrony zachowujące się jak fale.
Teraz mamy niezwykle jasną tego demonstrację.
Przepuszczając pojedyncze elektrony przez barierę ze szczelinami.
Każdy elektron zostaje wykryty w określonym miejscu i czasie,
zupełnie jak cząstka.
Kiedy powtórzy się eksperyment, i to wielokrotnie,
pojedyncze elektrony ułożą się we wzór prążków,
co jest charakterystyczne dla fali.
Idea, że cząstki zachowują się jak fale, a fale jak cząstki,
jest jedną z najdziwniejszych i najbardziej wpływowych w fizyce.
Znane są słowa Richarda Feynmana,
o tym, że jest to główna tajemnica mechaniki kwantowej.
Reszta łączy się z tym jak puzzle ułożone we właściwym miejscu.