Det er et stadig tilbakevendende problem: Er lys bølger eller partikler? Dette spørsmålet har vi lurt på i minst fire hundre år, og den løsningen vi har av dette problemet i dag, kan karakteriseres med Ole Brumms: "Takk, begge deler!"
Nå er det mange som vil hevde at det er uinteressant å stille spørsmålet slik: "ER lyset det ene eller det andre?". For det kan vi aldri finne svaret på. Vi må nøye oss med å si at vi kan modellere lys som bølge eller partikkel, og i enkelte eksperimentelle situasjoner fungerer bølgemodellen best, og i andre partikkelmodellen.
Men vi kan ikke komme bort fra at vi intuitivt tenker på lys som om det HAR en egenskap i seg selv, og da snakker vi ofte om fotonet og tenker oss det som en partikkel med null utstrekning - eller har det en utstrekning likevel? Men selv et punktformig foton skapes og drives av et kvantefelt, som kan ha bølgeegenskaper, men som på et eller annet merkelig vis ikke har noe fysisk realitet - det eksisterer bare i form av sannsynlighetstettheter. Vel, er du litt forvirret nå, så er det ikke rart. For selv de som har jobbet mange år med kvanteoptikk har rett som det er problemer med å forklare de eksperimentene de arbeider med på en helhetlig måte. Teoretikerne derimot synes ofte det ikke er noe problem, så lenge man kan holde seg til formalismen i seg selv, og ikke blande eksperimenter og teori sammen i praksis. Holder man seg til ren teori, synes den abstrakte beskrivelsen til å være i orden.
Bølge-partikkel-striden begynte allerede for snart fire hundre år siden. Nederlenderen Huygens så at lys hadde mange egenskaper som minnet om vannbølger, og mente at lys måtte ha bølgenatur. Isaac Newton på sin side drev med fargeblanding, og så at han kunne danne praktisk talt alle farger ved å mikse tre primærfarger: Rødt, grønt og blått. Han mente derfor at lys måtte bestå av små partikler, og at det fantes tre typer slike partikler, nemlig de røde, de grønne og de blå. Siden Newton hadde så stort hell med sin øvrige fysikk, og med fargeblandingene sine, ble det partikkelbildet av lys som "vant" i striden mellom Huygen og Newton i siste delen av 1600-tallet.
Vel 100 år senere gjennomførte Thomas Young sitt berømte dobbeltspalteksperiment, og interferensmønsteret som da oppstod kunne lett forklares dersom man gikk ut fra at lys har bølgenatur. Da så også Fresnell i en konkurranse, utlyst av det Franske vitenskapsakademi, mente at lys måtte ha bølgenatur, ble Newtons lyspartikler etter hvert mindre populære. Dette skyltes ikke minst at Poisson (som satt i bedømmelseskomiteen) først mente å kunne bevise at Fresnell hadde feil, for var det slik at lys er bølger, måtte det bli en hvit flekk i midten av skyggebildet til en kule. Det kunne Poisson beregne. Arago sjekket opp dette, og til deres store overraskelse, så viste det seg at det faktisk var en lys flekk i skyggebildet til en kule! Da Maxwell senere på 1800-tallet kom med sine berømte likninger, ble det etter hvert fullt akseptert at det var bølgemodellen til lys som var den beste.
Nesten 100 år etter Thomas Young's eksperiment, dukker så Albert Einstein opp, og forklarte i 1905 den fotoelektriske effekt ved å anta at lys likevel måtte ha partikkelnatur! Og disse partiklene, som siden ble kalt fotoner, var udelelige, og hver av dem førte med seg en mengde energi gitt ved likningen E = hv, hvor E er energien, h er Plancks konstant, og v er frekvensen på lyset. Etter hvert ble dette synet akseptert, men det var vanskelig å komme utenom bølgenaturen også! Så hva skulle man da gjøre?
Vel, Niels Bohr "løste" problemet ved å innta Ole Brumm-holdningen: "Ja takk, begge deler". Han innførte det såkalte "komplementaritets-prinsippet" som sier at av og til oppfører lys seg som bølger, og av og til som partikler, men aldri som begge deler i en og samme situasjon. Vi er gjennom vår fysikkundervisning lært opp til å akseptere dette synet, og de fleste er fornøyd med det.
Men finnes det en enda bedre modell for lys enn Ole Brumms? Det kan man lure på.
Og det vil vi lure litt på ved vårt kvanteoptiske laboratorium her ved Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Og en del av utfordringen da er å forsøke å trenge ordentlig inn i de beskrivelsene som benyttes i dag. For de er ikke ensartede når det kommer til stykket! Ordet "foton" brukes ikke på en enartet måte i ulike sammenhenger. Og tolkningen av ulike eksperimenter vil da også avhenge av hvordan vi bruker ord og uttrykk. Så her har vi mye morro å boltre oss i!
Vil du forresten lese mer om den morsomme historien om Fresnel, Poisson og Arago, finner du litt mer her.
Arnt Inge Vistnes
En populærvitenskapelig fremstilling av noen problemstillinger vi tar opp er skrevet for bruk i ExPhil ved UiO, men kan også leses av journalister, skoleelever og alle andre som er interessert. Artikkelen heter: Fysikk og virkelighetsoppfatning og kan hentes ned her.
Denne siden ble sist oppdatert 24. mars 2010 |