دوگانگی موج- ذره

امواج و ذرات خواص اساسا متفاوتی دارند. ذره محدود (بسته ای از جرم و انرژی) و موج یک حرکت تناوبی است. توپ تنیس روی میز ذره مانند، ولی حرکت پس و پیش سیم های گیتار موج است. انرژی ذره محدود شده، ولی انرژی موج در حرکتی که خود موج را تشکیل می دهد پخش می شود.

توماس یانگ (1829-1773) فیزیکدان و پزشک انگلیسی، نشان داد که هنگامی که آزمایش دو شکاف را انجام می دهد نور موج است. هنگامی که نور از دو شکاف یک دیوار می گذشت و به یک پرده می تابید، به جای دو لکه ای نور، یک رشته نوارهای روشن و تاریک، مطابق شکل صفحه ی بعد، به وجود می آمد.

اگر نور از ذرات تشکیل می شد، ظهور دو لکه انتظار می رفت، ذرات از هر شکاف می گذشتند و دو قسمت جداگانه ی پرده را روشن می کردند. آنچه یانگ به آن پی برد این بود که نورهای گذرنده از شکاف ها پخش می شوند، و همانند امواج، با یکدیگر تداخل می کنند. درجایی که یک اوج (بالاترین نقطه) موج یا حضیض (پایین ترین نقطه) موج دیگری هم ردیف می شود، دو موج یکدیگر را حذف می کنند و یک لکه ی تاریک ظاهر می شود، که این مطلب وجود نوارهای تاریک را توضیح می داد، نور نمی توانست متشکل از ذرات باشد چون راهی وجود ندارد که ذرات بتواندد با هم ترکیب شوند و روشنایی صفر ایجاد کنند. دانشمندان آزمایش یانگ را به عنوان دلیلی برای این در نظر گرفتند که تابش الکترومغناطیسی یک موج الکترومغناطیسی است.

اما اینشتین می خواست شق دیگری را در نظر بگیرد. او مفهوم فوتون ها را برای تشریح اثر فوتوالکتریکی به کار برد، که در آن فلزات هنگامی که با نور رو به رو می شدند الکترون ها را گسیل می کردند.

اثر فوتوالکتریک این توضیح را نقض می کرد زیرا به نظر نمی رسید فلز هنگامی که الکترون ها را گسیل می کند انرژی موج را جذب می کند. تابش یک نور روشن با بسامد پایین برای مدت زیادی هیچ الکترونی را بیرون نمی راند، ولی هنگامی که بسامد نور از بسامد خاصی بیشتر می شد، فلز بیرون راندن آن ها را آغاز می کرد.

اینشتین نشان داد که فلز بسته های مجزای نور(فوتون ها) را جذب می کند که انرژی آن ها به بسامد بستگی داشت(هر چه بسامد بیشتر بود، انرژی بیشتر بود) این وضع چگونه پیش می آمد؟ او به درستی فرض کرد که تثر فوتوالکتریک هنگامی رخ می دهد که فوتون با انرژی کافی برای آزادسازی یک الکترون به فلز برخورد کند.

فوتون های اینشتین فیزیکدانان را در وضعیت دشواری قرار داد. آیا نور موج است یا ذره؟ نور نمی تواند هر دو باشد، ولی این دقیقا چیزی است که به نظر می رسد باشد، و حتی فوتون ها به نظر می رسد که یک « بسامد » که خاصیتی از موج است، دارد. هنگام انجام دادن آزمایش دوشکاف یانگ با استفاده از منابع ضعیف نور به گونه ای که درهر لحظه فقط یک فوتون بگذرد، پرده لکه هایی از نور را نشان می دهد که نمایشگر وجود فوتون ها هستند، ولی با گذشت زمان الگوهای روشن و تاریک پدیدار می شوند چنانکه گویی فوتون ها با خودشان تداخل می کنند!