A fény hullám-részecske kettős viselkedése
Egy sor kísérlet, jelenség, megfigyelés azt támasztja alá, hogy a fény foton-részecskékből áll. A fénytani tanulmányaink azonban azt mutatták, hogy a fény interferenciára, elhajlásra, polarizációra képes, amelyek mind hullámokra jellemző tulajdonságok. Az elektromosságtan és mágnességtan alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a fény elektromágneses hullám. Hogyan lehet a fény egyaránt hullám és részecske?
Elemezzük a Young-féle kettős réssel végzett interferencia kísérletet! Ha monokromatikus fény segítségével két közeli rést megvilágítunk, akkor a rések után elhelyezett ernyőn világos és sötét csíkok sorozatát láthatjuk, amelynek intenzitás-eloszlását vizsgálhatjuk.
Ha a rések közül az egyiket, illetve a másikat letakarjuk, akkor az ernyőn látható intenzitás eloszlások összege nem egyezik meg a két nyitott rés esetén tapasztalható intenzitáseloszlással. Különösen szembetűnő az eredeti (direkt) sugár irányában lévő, úgynevezett nulladrendű maximum hiánya az egyszerű összegzés esetén.
A fizikai optikában az intenzitáseloszlást az interferencia segítségével magyaráztuk: ha a két résből, mint két pontszerű hullámforrásból érkező hullámok azonos fázisban találkoznak (mert útkülönbségük a hullámhossz egész számú többszöröse), akkor erősítik egymást, ha ellentétes fázissal találkoznak (mert útkülönbségük a félhullámhossz páratlan számú többszöröse), akkor kioltják egymást.
Képzeljük el, hogy nagyon erősen lecsökkentjük a kettős résre érkező fény intenzitását. Ilyenkor az ernyőt nem használhatjuk, mert olyan gyenge az interferenciakép, hogy nem látunk semmit. Ehelyett az ernyő helyén helyezzünk el nagyon sűrűn fényérzékelő műszereket (detektorokat), melyek azt érzékelik, hogy arra a helyre hány foton érkezik. Kezdetben csak azt vehetjük észre, hogy a detektorok hol itt, hol ott szólalnak meg, azaz fotonok véletlenszerű becsapódását észlelik. Hosszú ideig tartó méréssel végül is a fotonszámláló detektorok adataiból eloszlásfüggvényt készíthetünk. Azt mondhatjuk, hogy a becsapódó fotonok valószínűségi eloszlása ugyanaz, mint amit az interferencia alapján számítottunk ki. Nem tudjuk megmondani, hogy a következő foton hova csapódik be, csak annyit mondhatunk előre, hogy egy adott helyen mekkora valószínűséggel várható foton érkezése.
A kvantumfizikai leírásra éppen ez a jellemző. Az adott kezdőfeltételekből (bármennyire is jól ismerjük azokat) nem tudunk biztos előrejelzéseket tenni a bekövetkező eseményre, mint ahogy azt a klasszikus mechanikában megszoktuk. Csak valószínűségi kijelentéseket tehetünk. Furcsa következménye ez a részecske-hullám kettősségnek.
A kettős réssel végzett kísérlet során, csökkentsük a résekre eső fény intenzitását tovább, már csak átlagosan egy foton érkezzen rájuk másodpercenként. Hosszú idő után a fotonszámlálók adataiból mégis kirajzolódik az interferenciát mutató eloszlás. Jogosnak látszik azt feltételezni, hogy minden egyes foton vagy az egyik, vagy a másik résen haladt át (átlagosan a fotonok fele az egyiken, másik fele a másikon). Ezt az álláspontot ellenőrizhetjük, ha kétszer annyi ideig mérünk, de fele időben az egyik, fele időben a másik rést lezárjuk. Ezzel a trükkel azonban nem "cselezhetjük ki" a fotonokat, mert így csak a különálló rések hatásának az egyszerű összegzését kaphatjuk, interferenciát nem.
Az optikában azt mondtuk, hogy megfigyelhető interferencia létrehozásához koherens hullámokkal kell dolgoznunk. Eredményünket a fotonképpel úgy egyeztethetjük össze, ha feltételezzük, hogy minden egyes foton mindkét résen átmegy, és mindegyik foton csak önmagával interferál. A fotonok térben nem lokalizáltak egy adott pontba. Meghatározott mennyiségű energiát hordoznak, de hullámtulajdonságaik is vannak, ami megköveteli a térbeli kiterjedésüket. A megfigyelésekkel csak az egyeztethető össze, hogy mindegyik foton mindkét résen áthalad.
A fotonok valószínűségi eloszlása nem csak interferencián alapuló jelenségek esetén nyilvánul meg. Készítettek egy olyan fényképsorozatot, amelyen nagyon gyenge fényben elektronikus képerősítéssel készítették a negatívot. Az egyes képeken növekvő számú fotont használtak, minden egyes foton becsapódását annak helyén az elektronika egy fényfolttal jelölte meg. Az első egy-két képen a foltok eloszlása csaknem véletlenszerű, majd növekvő fotonszámok esetén egyre tisztábban kirajzolódik az éles kép, ugyanúgy mint a kettős rés interferenciaképén.
Mi tehát akkor a foton, részecske vagy hullám? A válasz az, hogy mindkettő, de a körülményeknek megfelelően hol az egyik, hol a másik tulajdonsága nyilvánul meg. Amikor a fény terjed, akkor hullámként viselkedik, de amikor műszereinkkel (fotódetektor, fényérzékeny film) elfogjuk, érzékeljük, akkor mindig részecskének mutatja magát. Ezt a kettősséget felismerve a fizikusok célja az lett, hogy olyan elméletet találjanak, amely magában foglalja mindkét viselkedést. A kvantumfizika (szűkebb értelemben a kvantumelektrodinamika) éppen ilyen elmélet, amit 50 évvel a kvantumfogalom megszületése, vagyis Planck 1900-as hatáskvantumának megjelenése után dolgoztak ki, és azóta igen sikeresen alkalmaznak.
21. századi közoktatás - fejlesztés, koordináció (TÁMOP-3.1.1-08/1-2008-0002)
