نور ذره است یا موج؟
از دورترین ستارگان آسمان گرفته تا صفحه نمایش مقابل چشمانتان، نور همه جا حضور دارد. اما ماهیت دقیق نور و نحوه حرکت آن، مدت‌هاست که دانشمندان را سردرگم کرده است. یک سوال خاص به ویژه متفکرانی از ایزاک نیوتن تا آلبرت انیشتین را آزار داده است: آیا نور ذره است یا موج؟
ریکاردو ساپینزا، فیزیکدان کالج امپریال لندن، به لایو ساینس گفت: “اینکه نور ذره است یا موج، یک سوال بسیار قدیمی است.” به نظر می‌رسد ما به عنوان یک گونه، مجبوریم ماهیت بنیادی دنیای اطراف خود را درک کنیم و این معما خاص دانشمندان قرن نوزدهم را مشغول نگه داشت.
امروزه، شکی در این پاسخ وجود ندارد: نور هم ذره است و هم موج. اما دانشمندان چگونه به این نتیجه عجیب و غریب رسیدند؟
نقطه شروع، تشخیص علمی بین امواج و ذرات بود. ساپینزا گفت: “اگر بتوانید یک شیء را به عنوان یک نقطه در فضا شناسایی کنید، آن را به عنوان یک ذره توصیف می‌کنید. یک موج شیئی است که شما آن را به عنوان یک نقطه در فضا تعریف نمی‌کنید و باید فرکانس نوسان و فاصله بین حداکثر و حداقل را مشخص کنید.”
اولین شواهد قطعی از ماهیت موجی نور در سال 1801 آمد، زمانی که توماس یانگ آزمایش دو شکاف معروف خود را انجام داد. او یک صفحه با دو سوراخ در مقابل یک منبع نور قرار داد و رفتار نور را پس از عبور از شکاف‌ها مشاهده کرد. نوری که به دیوار برخورد کرد، الگوی پیچیده‌ای از نوارهای روشن و تاریک را نشان داد که به عنوان نوارهای تداخل شناخته می‌شوند.
هنگامی که امواج نور از هر سوراخ عبور می‌کنند، امواج جزئی تولید می‌کنند که به صورت کروی تابش می‌کنند، یکدیگر را قطع می‌کنند و برای اضافه یا کم کردن شدت نهایی جمع می‌شوند.
ساپینزا گفت: “اگر نور یک ذره بود، در نهایت دو دسته در طرف دیگر صفحه داشتید. اما ما تداخل داریم و نور را همه جا بعد از صفحه می‌بینیم، نه فقط در موقعیت سوراخ‌ها. این ثابت می‌کند که نور در واقع یک موج است.”
هشتاد و شش سال بعد، هاینریش هرتز اولین کسی بود که ماهیت ذره‌ای نور را نشان داد. او متوجه شد که وقتی نور ماوراء بنفش به سطح یک فلز می‌تابد، یک بار الکتریکی تولید می‌کند – پدیده‌ای به نام اثر فوتوالکتریک. با این حال، اهمیت مشاهدات او تا سال‌ها بعد به طور کامل درک نشد.
اتم‌ها حاوی الکترون‌هایی در سطوح انرژی ثابت هستند. بنابراین انتظار می‌رود تابش نور به آن‌ها انرژی به الکترون‌ها بدهد و آن‌ها را قادر سازد تا از اتم خارج شوند، و نور روشن‌تر الکترون‌ها را سریع‌تر آزاد کند. اما در آزمایش‌های پس از کار هرتز، چندین مشاهده غیرعادی به نظر می‌رسید که کاملاً با این درک کلاسیک از فیزیک در تضاد است.
این انیشتین بود که در نهایت این معما را حل کرد و به خاطر آن در سال 1921 جایزه نوبل را دریافت کرد. به جای جذب پیوسته نور از یک موج، اتم‌ها در واقع انرژی را در بسته‌های نوری به نام فوتون دریافت می‌کنند و مشاهدات عجیبی مانند وجود یک فرکانس قطع را توضیح می‌دهند.
اما چه چیزی تعیین می‌کند که نور به عنوان موج یا ذره رفتار می‌کند؟ به گفته ساپینزا، این سوال درستی برای پرسیدن نیست. او گفت: “نور گاهی ذره و گاهی موج نیست. همیشه هم موج است و هم ذره. فقط ما یکی از خواص را بسته به آزمایشی که انجام می‌دهیم برجسته می‌کنیم.”
در زندگی روزمره، ما بیشتر نور را به عنوان یک موج تجربه می‌کنیم و این شکلی است که فیزیکدانان برای دستکاری آن مفیدترین می‌دانند.
ساپینزا گفت: “یک حوزه کامل به نام متامواد وجود دارد – با شکل دادن به یک ماده با ویژگی‌های مشابه نور، می‌توانیم تعامل نور با ماده را افزایش داده و امواج را کنترل کنیم. به عنوان مثال، می‌توانیم جاذب‌های خورشیدی بسازیم که می‌توانند نور را برای تولید انرژی کارآمدتر جذب کنند یا پروب‌های MRI متاماده که بسیار موثرتر هستند.”
با این حال، ماهیت دوگانه نور، که به عنوان دوگانگی موج-ذره شناخته می‌شود، برای وجود دنیایی که می‌شناسیم کاملاً اساسی است. این رفتار دوقلو عجیب نیز به ذرات کوانتومی دیگر مانند الکترون‌ها گسترش می‌یابد.
ساپینزا گفت: “اگر مکانیک کوانتومی با الکترون‌ها در حالت‌های خاص وجود نداشت، نمی‌توانستید یک اتم پایدار داشته باشید. اگر واقعیت ذره‌ای بودن آن را حذف کنید، واقعیت داشتن انرژی خاص را حذف می‌کنید و زندگی نمی‌تواند وجود داشته باشد.”
منبع: livescience