Schematische weergave van een golfbeweging en een bewegend deeltje
De
dualiteit van golven en deeltjes
is een beginsel van de
kwantummechanica
dat zegt dat alle deeltjes zich onder bepaalde omstandigheden als golven gedragen en alle golven zich onder bepaalde omstandigheden als een stroom deeltjes gedragen.
Het begon allemaal met de vraag of
licht
nu eigenlijk een
golf
of een stroom
deeltjes
is.
Christiaan Huygens
is vooral bekend geworden met zijn
golftheorie
van het
licht
(1678) in zijn
Traite de la lumiere
(1690) (zie ook
Principe van Huygens
). De latere theorie van
Isaac Newton
(°1643-1727) in zijn
Opticks
ging hier tegenin: hij verklaarde
weerkaatsing
en
breking
van licht juist met lichtdeeltjes. De experimenten van
Thomas Young
met
interferentie
in
1801
konden niet met deeltjes worden verklaard, maar wel met Huygens' golftheorie, zodat Newtons lichttheorie werd verworpen.
Een andere aanwijzing dat licht bestond uit golven kwam in 1873 vanuit Maxwells theorie over
elektromagnetisme
. In deze theorie opperde
James Clerk Maxwell
het bestaan van
elektromagnetische golven
. Maxwell berekende wat de snelheid van deze elektromagnetische golven moest zijn. Deze bleek gelijk te zijn aan de snelheid van het licht, wat deed vermoeden dat licht uit elektromagnetische golven bestond. Later werd in 1886 door
Heinrich Hertz
experimenteel aangetoond dat elektromagnetische golven echt bestaan. Heinrich Hertz toonde hierbij ook aan dat lichtgolven en elektromagnetische golven vergelijkbaar gedrag vertonen.
In navolging van Christiaan Huygens en Maxwell dachten de fysici daarom dat licht een golfverschijnsel was, maar in
1905
leek
Albert Einsteins
theorie voor het
foto-elektrisch effect
erop te wijzen, dat het toch deeltjes betrof.
Tegenwoordig weten we dat licht, en ook materiedeeltjes zoals
elektronen
, zich in sommige opzichten gedragen als deeltjes (in de zin van precies gelokaliseerde, afgemeten dingetjes) en in sommige opzichten als een golf. Elk deeltje voldoet immers aan de
schrodingervergelijking
, die een
golfvergelijking
voorstelt.
Experiment met twee spleten waarbij elektronen ("deeltjes") een interferentiepatroon ("golfverschijnsel") laten zien. Bijzonderheid: wanneer de elektronen een voor een achter elkaar door de spleet gaan ontstaat het patroon eveneens.
Een deeltje met
impuls
p
en
energie
E gedraagt zich bij diffractie en interferentie als een golf met
golfvector
k
en
pulsatie
ω. Een golfverschijnsel met golfvector
k
en pulsatie ω gedraagt zich bij wisselwerkingen als een stroom deeltjes met impuls
p
en energie
E
.
![{\displaystyle p=\hbar k\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7527a9f0de9890cb23657dd6599cac890787488f)
![{\displaystyle E=\hbar \omega \,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/94f8e339c2a36151cd1f662c50aaf725a1b83fe1)
waarin
de
constante van Dirac
voorstelt. In het eendimensionale geval schrijven elementaire leerboeken dit meestal in functie van de
golflengte
λ en de
frequentie
ν
![{\displaystyle p={\frac {h}{\lambda }}\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5a55160437b90a673dc2d297dcb779d65b54203e)
![{\displaystyle E=h\nu \,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/eb9d655a84c46d31c444941ef5886e4b5a0b430f)
waarin h de
constante van Planck
voorstelt.
- de
beweging
wordt het best beschreven met de
golfmechanica
, die voorspellingen doet van de kans om een deeltje op verschillende plaatsen aan te treffen
- emissie en absorptie
gaat per afgemeten hoeveelheid
kwantum
? typisch voor deeltjes
- ook de
hoeveelheid
van iets vertoont een deeltjeskarakter: ladingen zijn altijd een geheel
veelvoud
van (een derde van) de lading van een
elektron
; de
energie
van een
monochrome
lichtstraal is een geheel veelvoud van de energie van een
foton
van die golflengte.
Het golf-deeltje-
dualisme
is een van de eerste merkwaardige dingen die men tegenkomt in de
kwantummechanica
. Het betekent dat eenvoudige, alledaagse beelden zoals de biljartbal (voor een deeltje) of de watergolf (voor een golfverschijnsel) tekortschieten: wat er in werkelijkheid is, is noch zo een golf, noch zo een deeltje, maar iets waarvoor we beide beelden soms kunnen gebruiken. De volledige, wiskundige beschrijving uit de kwantummechanica laat in het midden wat er precies is.
De
snaartheorie
heeft een alternatieve uitleg, waarbij het golf- dan wel deeltjesgedrag direct uit de theorie af te leiden is. De snaartheorie is eigenlijk nog een hypothese, hoewel mathematische modellen doen vermoeden dat ze goed te gebruiken is om kwantumfysische processen te beschrijven en voorspellen.