هل الضوء جسيم أم موجة ؟

بطريقة تقريبية ، الضوء هو جسيم وموجة. لكن في التمثيل الدقيق ، الضوء ليس جسيمًا ولا موجة ، ولكنه شيء أكثر تعقيدًا. كاستعارة ، فكر في علبة أسطوانية من الفاصوليا. إذا كنت تمسك بالمناحية الجانبية ، فاضطر صديقك أن ينظر فقط إلى ظله ، واسأله عن شكل الجسم ، فسوف يرد “مستطيلاً”. لكن الآن أصبح بإمكانك أن تتحول إلى 90 درجة ، فابحث عن صديق ثانٍ فقط في الظل ، وسيقول لك أن العلبة “دائرية”. الآن لديك صديقان يناقشان بعضهما البعض حول الشكل الحقيقي ولن يحققان الكثير من التقدم. ايهم الاصح؟ هم على حق في كل مكان على حد سواء والخطأ على حد سواء. الأسطوانة دائرية الشكل كما تُرى من زاوية واحدة ، ومستطيلة من زاوية أخرى ، ولكنها في الواقع أكثر بكثير من دائرة بالإضافة إلى مستطيل. إنه شيء أكثر تعقيدًا: شكل ثلاثي الأبعاد لا يمكن وصفه بالكامل من خلال أشكال ثنائية الأبعاد مثل الدوائر والمستطيلات. المشكلة هي أن أصدقاؤك كانوا ينظرون إلى ظلال علبة الفاصوليا وليس الشيء نفسه. الظل هو تمثيل ثنائي الأبعاد ، تم تصغيره لكائن ثلاثي الأبعاد. الحالة متشابهة جدا عندما يتعلق الأمر بالجسيمات الكمومية مثل الضوء. إن القول بأن الضوء هو جسيم هو النظر إليه كتمثيل منهار لكيان أكثر تعقيدًا. وبالمثل ، لضوء الصورة كموجة هو التعامل معها ككائن أبسط مما هي عليه بالفعل.

تبدو علبة الفاصوليا وكأنها دائرة من منظور واحد ومستطيل من منظور آخر. في الواقع ، يمكن أن تكون الاسطوانة. وبالمثل ، يعمل الضوء أحيانًا مثل الموجات ، وفي أحيان أخرى يتصرف مثل الجسيم ، ولكنه في الواقع شيء أكثر تعقيدًا. صورة المجال العام ،

يعمل الضوء أحيانًا مثل الموجة ويتصرف أحيانًا مثل الجسيم ، اعتمادًا على الحالة. هذا منطقي فقط إذا قبلت أن الضوء هو شيء أكثر تعقيدًا. شيء من منظور معين يشبه الأمواج ومن منظور آخر يشبه الجسيمات. إذن ما هو الضوء حقا؟ يصعب الإجابة على السؤال دون الخوض في الرياضيات المعقدة. الوضع يشبه إلى حد كبير الفيل الشهير والرجال الأعمى. لا يشعر أحد الأعمى إلا بساق الفيل ويعلن أن الفيل هو شجرة. رجل أعمى آخر يشعر بذيل الفيل ويعلن أنه حبل. لا يزال يشعر آخر ناب ويعلن الحيوان ليكون الرمح. كل الرجال المكفوفين على حق جزئيا وأيضا خطأ جزئيا لأنهم ليس لديهم معلومات كاملة. ولكن كيف تشرح فيلًا لرجل أعمى دون أن يتسلق عليه ويشعر بكل بوصة لنفسه؟ هذا هو الصعوبة التي يجدها الفيزيائيون في شرح جزيئات الكم للأشخاص غير القادرين على حل الرياضيات لأنفسهم.

الضوء هو توزيع الاحتمالات ذات القيمة المعقدة التي لديها خصائص (منفصلة) مثل الطاقة. يُطلق على أصغر قطعة من الضوء اسم الفوتون. يشبه الفوتون ، مثل الموجة ، الانعراج (الانحناء حول الزوايا) ، والتداخل (الأنماط المجعدة) ، والانكسار (الانحناء عند دخول المادة) ، والانعكاس ، والتشتت (انتشار شكل الموجة) ، والتماسك (تصطف المراحل) ، ولديه تكرر. مثل الجسيم ، يحتوي الفوتون على طاقة ثابتة ، زخم ثابت ، دوران ثابت ، ويمكن قياسه ليكون له موقع ثابت واحد في الفضاء. تتشابه سمات تشبه الموجات والجسيمات للفوتون وفقًا لمبدأ عدم اليقين Heisenberg. وهذا يعني أنه كلما أجبرت الفوتون على التصرف مثل الجسيم ، على سبيل المثال من خلال حصره في مربع صغير ، مما يقلل من عدم اليقين في موضعه ، كلما قل تأثيره كموجة.

في تجربة الشبيبة المزدوجة الشابة الشهيرة ، يتم توجيه شعاع ضوئي متماسك عبر شقين ثم إلى لوحة فوتوغرافية. عندما يضرب كل فوتون الفئران ، فإنه يجعل علامة واحدة تشبه النقطة ، تشير إلى أن الفوتون تفاعل مع الصفيحة كجسيم. لكن النمط العام للعلامات على اللوحة هو نمط التداخل في القضبان ، وهو أمر ممكن فقط إذا كان الضوء موجة. التداخل هو نتيجة وجود شعاعين يتم إنشاؤهما بواسطة الشقين ، اللذين ينتشران من الشقوق ويتداخلان مع بعضهما البعض. والأهم من ذلك ، إذا قمنا بتعتيم الضوء حتى نرسل من خلال فوتون واحد في كل مرة ، ما زلنا نحصل على نمط تداخل. وهذا يعني أن الفوتون الواحد يمر عبر الشقوق في نفس الوقت ، ويتداخل مع الموجة نفسها عند الخروج من الشقوق ، ثم يجعل علامة واحدة على اللوحة بطريقة تشبه الجسيمات. إذا كان هذا يبدو غير معقول بالنسبة لك ، فذلك لأنك لا تزال تصور الفوتون على أنه مجرد جسيم أو موجة. لأن الفوتون هو توزيع احتمالي متقلب مع خصائص كمية ، يمكنه القيام بكل هذه الأشياء بطريقة معقولة تماماً.