Ljusets dubbelnatur
Ljuset och dess egenskaper har alltid varit ett intressant fenomen inom fysiken. Vid 1800-talets början hade många experiment med ljus utförts och man kände väl till hur ljuset beter sig i olika situationer. Man kunde t ex med glasprismor dela upp ljuset i färger och använda linser för att bygga kikare och teleskop. Däremot visste man inte särskilt mycket om vad ljus egentligen är.
Ljuset betedde sig nämligen mycket konstigt. I vissa experiment verkade det som om ljus var en ström av partiklar (ljuspartiklar) medan det i andra experiment verkade som om ljus var en vågrörelse (ljusvågor).
För att förklara varför ljus inte sprider sig runt hörn, (som ljudvågor gör), passar det bra att använda sig av modellen att ljus är partiklar. En ström av partiklar går ju rakt fram.
Om man däremot skall förklara fenomenet då ljus träffar en spegelblank vattenyta måste man använda vågmodellen. En del av ljuset reflekteras mot vattenytan och studsar medan en del av ljuset går ned i vattnet. Om ljus vore partiklar borde ju alla partiklar reagera likadant, dvs antingen gå ned genom vattenytan eller studsa tillbaka. Inte både och.
1802 utförde en fysiker vid namn Young ett spännande experiment som tycktes bevisa att ljus verkligen är en vågrörelse. Han delade upp ljus från samma ljuskälla i två strålar och förde sedan samman dessa strålar igen. Det märkliga som inträffade var att de båda ljusstrålarna gav upphov till både ljusa och mörka fläckar på en skärm. Det är ett resultat som enbart kan förklaras genom att ljus måste vara en vågrörelse.
Teorin att ljus kan uppträda i form av partiklar fick nytt liv hundra år senare då man försökte förklara varför föremål sänder ut olika sorters ljus beroende på vilken temperatur de har. Detta kunde inte förklara med vågmodellen. En tysk fysiker vid namn Max Planck kom på en förklaring som inte ens han själv var nöjd med. Han menade att ljusvågor sänds ut i form av små paket (energikvanta). Storleken på dessa energipaket avgör vilken färg ljuset har. Blått ljus består av stora paket och rött ljus av små paket. Problemet var nu bara att förklara vad de här paketen egentligen var och vad de bestod av. Det kunde ju inte vara ljuspartiklar?
Plancks tankar stötte även på en del andra bekymmer, men Albert Einstein hjälpte till med sina förklaringar och man kunde återigen bevisa att ljus faktiskt ändå var partiklar. Ytterligare bevis gavs då den franska prinsen och amatörfysikern Louis de Broglie föreslog att alla partiklar ibland kan uppträda som vågrörelser och tvärtom. Man kunde faktiskt visa att om Youngs experiment gjordes med en ström av elektroner fick man samma resultat, dvs mönstret av ljusa och mörka fläckar på en skärm. Alltså kunde även partiklar som t ex elektroner ibland visa sig som vågrörelser.
Nåväl, efter all möda kunde två tyska vetenskapsmän år 1925, helt oberoende av varandra, presentera varsina matematiska lösningar på problemet med ljusets märkliga egenskaper. Det visade sig att trots olika matematiska beräkningar handlade deras teorier om samma sak. De två var Werner Heisenberg och Erwin Schrödinger och deras teorier kom att skapa en ny gren inom fysiken, kallad kvantmekanik.
Kvantmekaniken är mycket avancerad och komplicerad. Det handlar till stor del om att förklara fenomen med hjälp av matematikens språk. När det gäller frågan om vad ljus egentligen säger kvantmekaniken att alla ovan nämnda experiment och bevis är rätt. Ljus är både vågrörelser (elektromagnetisk strålning) och partiklar (fotoner).