Lysets dobbeltnatur

Består lys av bølger eller partiklar?

Ein av dei historiske debattane i fysikkens handla om lyset består av partikler eller bølger. Isaac Newton var ein av dei som meinte at lyset besto av partiklar (korpusklar). Han klarte aldri å observera bøyning av lyset, noko ein burde kunna, hvis lyset var bølger. Men årsaken var at han ikkje hadde god nok lyskilde. For å kunna studera bøyning og interferens trenger ein koherent lys, som vi i dag enkelt skaffar med ein laser, men som Newton ikkje hadde. Men det var likevel mange av hans samtidige som trudde på en bølgemodell for lyset. Ein av de mest framståande var den nederlandske fysikaren Christian Huygens. Men Newton hadde mest innflytelse og derfor vart partikkelmodellen ståande i nesten hundre år.

Men i 1801 rapporterte den engelske doktoren Thomas Young sitt berømte dobbeltspalteforsøk der han tydelig viste lysets bølgenatur. Ved å senda lyset først gjennom ein enkelt spalte og deretter gjennom ein dobbeltspalte, klarte han å skaffa det koherente lyset som Newton mangla. På 1850-tallet viste Fizeau og Foucault at lyset gjekk seinere gjennom somme medier enn andre, og i samme århundre arbeidde Augustin Fresnel og James Clerk Maxwell innenfor en bølgemodell som forklarte fenomen som ein partikkellmodell ikke kan forklare, så som bøyning, polarisasjon og interferens. Maxwell utvikla ein teori som sa at lysbølgene var identisk med elektromagnetiske bølger som beveger seg med lysfarten c. Denne teorien vart seinere bekrefta av Heinrich Rudolph Hertz

Det virka no som at spørsmålet om lysets natur var besvart ein gong for alle. Bølgemodellen kunne jo forklara alle dei fenomen som kunne observerast, mens partikkelmodellen bare kunne forklare ein del av disse. Men så dukka det opp nye fenomen, nemlig den fotoelektriske effekten og compton spredning som begge er umulige å forklara med en rein bølgemodell. Ein sto altså i den forvirrande situasjonen at dei fenomena som lyset framviser hverken kan forklarast gjennom en bølgemodell eller som ein partikkel. Dette er oppsummert i tabellen nedanfor. (Her betyr midtkolonna bølgemodell og den høgre partikkelmodell. Grøn hake betyr at modellen kan forklara det aktuelle fenomenet. )

Fenomen
Refleksjon
Brytning
Interferens
Bøyning
Polarisasjon
fotoelektrisk effekt

Lyset har altså både partikkel og bølgeegenskapar, og det skulle vise seg at dette også er tilfellet med elektronet og andre partikler. Resultatet av dette var at hele begrepsapparatet braut saman, og opp av dette steig kvantefysikken fram som ein syntese av begge modellande. Her har lyset både partikkel- og bølgenatur. I dag tenkjer vi oss lyset som fotoner - masselause partiklar som beveger seg med lysfarten. Disse forestiller vi oss ikkje som bittesmå klinkekuler, slik den klassiske partikkelen var, men noke vi kan beskriva som en bølgepakke, altså noe som både har en frekvens og andre bølgeegenskapar, men samtidig har endelig utstrekning og bevegelsesmengde. Den moderne partikkelen kan interferera med andre partiklar og til og med seg sjøl, samtidig som den overfører kraft og energi når den kolliderer med andre.