Délčnovalóvna duálnost je koncept v kvantni mehaniki, da se lahko vsak delec ali kvantna entiteta opiše ali kot delec ali valovanje. Izraža nesposobnost klasičnih konceptov »delca« ali »valovanja« za polni opis obnašanja teles na kvantnem nivoju. Kakor je zapisal Albert Einstein:
Skozi delo Maxa Plancka, Alberta Einsteina, Louisa de Broglieja, Arthurja Comptona, Nielsa Bohra in mnogih drugih trenutna znanstvena teorija pravi, da imajo vsi delci valovno naravo in obratno. Ta fenomen je bil potrjen ne le za osnovne delce, ampak tudi za sestavljene delce, kot so atomi in celo molekule. Zaradi izjemno kratkih valovnih dolžin makroskopskih delcev po navadi njihove valovne značilnosti ni moč zaznati.
Čeprav raba delčnovalovne dualnosti v fiziki lepo uspeva, njen pomen ali interpretacija nista zadovoljivo razrešena (glej interpretacije kvantne mehanike).
Bohr je imel »paradoks dualnosti« za osnovno ali metafizično dejstvo narave. Dana vrsta kvantnega objekta bo včasih kazala značaj valovanja, drugič pa delca glede na različne fizikalne pogoje. Takšno dualnost je videl kot en vid koncepta načela komplementarnosti. Bohr je ocenil odrekanje razmerja med vzrokom in posledico ali komplementarnosti slike prostor-časa kot bistveno za kvantnomehansko pojmovanje.
Werner Heisenberg je obravnaval vprašanje naprej. Dualnost naj bi po njem bila prisotna v vseh kvantnih entitetah, vendar ne čisto v običajnem kvantnomehanskem pojmovanju, ki ga je upošteval Bohr. Videl jo je v smislu druge kvantizacije, ki tvori popolnoma nov koncept polj obstoječih v običajnem prostor-času, in je vzročnost še vedno predstavljiva. Klasične vrednost polj (na primer jakosti Maxwellovega električnega in magnetnega polja) zamenjuje popolnoma nova vrsta vrednosti polja, kot je to upoštevano v kvantni teoriji polja. Če se sklepanje obrne, se lahko običajna kvantna mehanika izpelje kot posebna posledica kvantne teorije polja.
Zgodovina
Klasični delec in valovne teorije svetlobe thumb|right|200px|Skica Thomasa Younga za uklon valovanja skozi dve reži, 1803
Demokrit (5. stoletje pr. n. št.) je razpravljal o tem, da so vse stvari v vesolju, vključno s svetlobo sestavljene iz nevidnih sestavnih delov. Evklid (4.–3. stoletje pr. n. št.) je napisal razprave o širjenju svetlobe, opisal načelo najkrajše poti svetlobe, vključno z mnogokratnim odbojem na zrcalih, tudi krogelnih. Plutarh (1.–2. stoletje) je opisal mnogokratne odboje na krogelnih zrcalih in razpravljal o nastanku večjih ali manjših slik, pravih ali navideznih, vključno s kiralnostjo slik.
Na začetku 11. stoletja je arabski učenjak Ibn Al Haitam napisal prvo obsežno delo o optiki Knjiga o optiki (Kitab Al Manazir), kjer je opisal odboj, lom in delovanje objektiva z luknjico prek svetlobnih žarkov, ki potujejo od točke vira do očesa. Trdil je, da so ti žarki sestavljeni iz svetlobnih delcev. Leta 1630 je René Descartes populariziral in priznaval nasprotujoč valovni opis v svoji razpravi o svetlobi Razprava o svetu in svetlobi (Traité du monde et de la lumière), kjer je pokazal, da se lahko obnašanje svetlobe predrugači z modeliranjem motenj, podobnih valovanju, v splošnem prenosnem mediju, imenovanem eter.
Od začetka leta 1670 in nadaljnja tri desetletja je Isaac Newton razvijal in se zavzemal za svojo korpuskularno teorijo svetlobe, na katero je sklepal po tem, da popolnoma ravni žarki pri odboju kažejo na delčno naravo svetlobe, saj lahko po premicah potujejo le delci (korpuskule). Lom je opisal s predpostavko, da delci svetlobe pri vstopu v gostejši medij pospešujejo v prečni smeri. Leta 1704 je izdal knjigo Optika (Opticks). Skoraj istočasno kot Newton so njegova sodobnika Robert Hooke in Christiaan Huygens, ter kasneje leta 1818 Augustin-Jean Fresnel, matematično prečistili valovno sliko, pri čemer so pokazali, da, če svetloba potuje z različnimi hitrostmi v različnem mediju, se lahko lom preprosto pojasni kot širjenje svetlobnega valovanja, odvisnega od medija. Od tod izhajajoče Huygens-Fresnelovo načelo je bilo zelo uspešno pri obnovitvi takšnega obnašanja svetlobe. Kasneje ga je podprlo odkritje valovne interference svetlobe Thomasa Younga s svojim interferenčnim poskusom z dvojno režo leta 1801.
James Bradley je leta 1727 prvi izmeril zvezdno aberacijo, ter tako ponovno pokazal, da ima svetloba končno hitrost, kakor tudi da se Zemlja giblje. Siméon Denis Poisson je leta okril svetlo pego, kar je tudi podprlo valovno teorijo. Valovna slika ni takoj pregnala žarkovno in delčno sliko, vendar je v sredini 19. stoletja začela prevladovati nad znanstvenim mišljenjem o svetlobi, saj je lahko pojasnila polarizacijske pojave, druge slike pa je niso mogle.
James Clerk Maxwell je odkril, da lahko, pred tem odkrite Maxwellove enačbe, skupaj z majhnim popravkom uporabi za opis samorazširjajočega se valovanja nihajočega električnega in magnetnega polja. Kmalu je postalo jasno, da so vidna, ultravijolična in infrardeča svetloba vse elektromagnetno valovanje z različno frekvenco. Leta 1873 je Maxwell objavil svojo Razpravo 0 elektriki in magnetizmu (A Treatise on Electricity and Magnetism). Leta 1879 je predlagal da bi se lahko absolutno hitrost Zemlje v etru optično zaznalo.
Sevanje črnega telesa in Planckov zakon
Max Planck je leta 1901 objavil analizo, ki je uspela reproducirati opazovani spekter svetlobe, izsevane iz svetlečega telesa. Da je dosegel to, je moral matematično privzeti kvantizirano energijo oscilatorjev, to je atomov črnega telesa, ki sevajo. Einstein je kasneje predlagal, da je elektromagnetno sevanje sámo kvantizirano in ne energija sevajočih atomov.
Sevanje črnega telesa, oddajanje elektromagnetne energije zaradi toplote telesa, se ne more pojasniti le s klasičnimi prijemi. Ekviparticijski izrek klasične mehanike, osnova za vse klasične termodinamske teorije, pravi, da je energija telesa med nihajnimi načini razdeljena enakomerno. Enako razmišljanje za elektromagnetno emisijo takšnega vročega telesa ni bilo tako uspešno. Da vroče telo oddaja svetlobo, je bilo dolgo znano. Ker je bila svetloba znana kot elektromagnetno valovanje, so fiziki upali, da bodo lahko to oddajanje opisali s klasičnimi zakoni. To je postalo znano kot problem črnega telesa. Ker je ekviparticijski izrek dobro opisoval nihajne načine samega vročega telesa, je bilo naravno privzeti, da bo enako dobro opisal oddajanje sevanja takšnih teles. Problem se je hitro pokazal, če je vsak način prejel enak del energije, bi načini s kratkimi valovnimi dolžinami porabili vso energijo. To je postalo jasno z Rayleigh-Jeansovim približkom, ki je sicer pravilno napovedoval jakost emisij z dolgimi valovnimi dolžinami, za kratke valovne dolžine pa je napovedal neskončno skupno energijo, ko je jakost divergirala proti neskončnosti. To je postalo znano kot ultravijolična katastrofa.
Planck je leta 1900 domneval, da je frekvenca svetlobe, ki jo odda črno telo, odvisna od frekvence izvirnega oscilatorja, in da energija teh nihanj narašča linearno s frekvenco (po enačbi , kjer je Planckova konstanta, pa frekvenca). To ni bil nenavaden predlog, če se upošteva, da makroskopski oscilatorji delujejo podobno, ko se raziskuje pet preprostih harmoničnih oscilatorjev z enako amplitudo, vendar z različno frekvenco – oscilator z najvišjo frekvenco ima največjo energijo, (čeprav ta zveza ni linearna kot Planckova). Z zahtevo, da mora visokofrekvenčno svetlobo oddati oscilator z enako frekvenco, in nadaljnjo zahtevo, da ta oscilator zasede višjo energijo od ene manjših frekvenc, se je Planck izognil kakršni koli katastrofi, pri čemer je visokofrekvenčne oscilatorje enakomerno razdelil in tako je nastalo zaporedoma manj oscilatorjev in manj oddane svetlobe. Kakor pri Maxwell-Boltzmannovi porazdelitvi nizkofrekvenčne nizkoenergijske oscilatorje zavira tlak toplotnega drsenja iz oscilatorjev z višjo energijo, se nujno povečata njihova energija in frekvenca.
Najbolj revolucionaren vidik Planckove obravnave črnega telesa je, da se inherentno opira na celo število oscilatorjev v toplotnem ravnovesju z elektromagnetnim poljem. Ti oscilatorji oddajo vso svojo energijo elektromagnetnemu polju, tvorijo svetlobni kvant vedno, ko jih ta vzbudi, absorbirajo svetlobni kvant in začnejo nihati z odgovarjajočo frekvenco. Planck je namenoma izdelal atomsko teorijo črnega telesa, nenamenoma pa je tvoril atomsko teorijo svetlobe, kjer črno telo nikoli ne ustvari svetlobne kvante pri dani frekvenci z energijo manj kot . Ko je spoznal, da je kvantiziral elektromagnetno polje, je svetlobne delce videl le kot omejitev svojega približka in ne kot značilnost stvarnosti.
Fotoelektrični pojav
alt=|thumb|right|Fotoelektrični pojav. Prihajajoči fotoni na levi udarjajo ob kovinsko ploščo (spodaj) in izbijajo elektrone, prikazane na desni kako odletavajo proč.
Medtem ko je Planck razrešil ultravijolično katastrofo s pomočjo atomov in kvantiziranim elektromagnetnim poljem, je večina tedanjih fizikov soglašala z njim, da njegovi »svetlobni kvanti« predstavljajo le pomanjkljivosti v njegovem modelu. Popolnejša izpeljava sevanja črnega telesa bi vodila do čisto zveznega in »valovanju podobnega« elektromagnetnega polja brez kvantizacije. Einstein je leta 1905 s Planckovim modelom črnega telesa rešil drug vidnejši problem tistega časa – fotoelektrični pojav, pri katerem atomi (na primer v kovini) oddajo elektrone, kadar absorbirajo energijo iz svetlobe. Leta 1897 je Joseph John Thomson, dve leti po odkritju rentgenskih žarkov, skupaj z Johnom Sealyjem Townsendom in Haroldom Albertom Wilsonom izvedel več poskusov, ki so nakazovali, da so katodni žarki samostojni delci in ne valovanje, atomi ali molekule, ko so domnevali do tedaj. Te delce, po njegovem imenovane »korpuskule«, se je na predlog predvsem Georgea Francisa FitzGeralda, Josepha Larmorja in Hendrika Antoona Lorenza, začelo imenovati elektroni. Fotoelektrični pojav so v fizikalnih laboratorijih raziskovali s pomočjo elektronskega modela.
Leta 1902 je Philipp Lenard odkril, da energija teh izvrženih elektronov ni odvisna od jakosti vstopajoče svetlobe, ampak od njene frekvence. Tako, če se na kovino posveti z nizkofrekvenčno svetlobo, bo nekaj nizkoenergijskih elektronov izvrglo. Če se nato posveti na isto kovino z zelo močnim žarkom nizkofrekvenčne svetlobe, bo izvrglo celo množino elektronov. Ti elektroni bodo imeli enako nizko energijo, le več jih bo. Več svetlobe je, več elektronov je izvrženih. Da se dobijo visokoenergijski elektroni, je treba osvetliti kovino z visokofrekvenčno svetlobo. Kakor sevanje črnega telesa se to ni skladalo s teorijo, ki je prisegala na zvezni prenos energije med sevanjem in snovjo. Še vedno pa se je to dalo pojasniti s pomočjo čisto klasičnega opisa svetlobe, vse dokler je snov po svoji naravi kvantnomehanska.