波と粒子の二重性（Wave-particle duality

波動と粒子の二重性は、物理学で最も混乱する概念の一つであろう。なぜなら、通常の世界で見られるものとは全く異なるからである。

1700年代から1800年代にかけて光を研究していた物理学者たちは、光が粒子でできているのか波でできているのかについて議論していた。光は両方やっているように見える。あるときは、光は粒子でできているかのように直線的にしか進まないように見えます。しかし、ある実験では、光には音波や水波のように周波数と波長があることが示されました。20世紀まで、ほとんどの物理学者は、光はどちらか一方であり、反対側の科学者は単に間違っていると考えていました。

現在の状況

プランク、アインシュタイン、ブロリー、コンプトン、ボーアらがこの問題に取り組んだ。現在の科学理論では、すべての粒子は波のようにも粒子のようにも振る舞うということになっている。これは、素粒子でも、原子や分子のような複合粒子でも確認されている。巨視的な粒子では、波長が非常に短いため、波の性質は通常検出できない。

実験

1909年、ジェフリー・テイラーという科学者が、この論争に決着をつけることを決意した。この実験では、隣り合った2つの小さな穴から光を照射する。この2つの穴から明るい光を当てると、干渉模様が現れ、光が波であることを示すかのように見えた。

テイラーのアイデアは、光に異常に敏感な特殊なカメラで、穴から出る光を写真に撮ることだった。明るい光を穴に当てると、先ほどヤングが示したような干渉縞が写真に写し出された。そこでテイラーは、光をかなり弱くした。すると、テイラーの写真には、穴から散乱する小さな光の粒が写っていた。これは、光が実は粒子であることを示しているように思えた。さらに、薄暗い光を長い間通しておくと、やがてその点が写真いっぱいに広がって、再び干渉縞を作るようになった。これは、光が波であると同時に粒子であることを示している。

さらに混乱したことに、ルイ・ド・ブロイが物質も同じような働きをするのではないかと提案した。そこで科学者たちは電子を使って同じ実験を行い、電子も粒子であり波動であることを突き止めた。電子は、ヤングの二重スリット実験に使うことができる。

現在では、このような実験がさまざまな人によってさまざまな方法で行われており、科学者たちは、物質も光も何らかの形で波動であり粒子であると単純に受け止めています。科学者たちは、どうしてこのようなことができるのか、まだよく分かっていませんが、きっとそうなのだろうとは思っています。しかし、波長（波の性質）と運動量（粒子の性質）を変数とする方程式はいくつもあるのです。この不可能に見えることを「波動と粒子の二重性」と呼んでいる。

基礎理論

波動粒子二重性とは、すべての粒子は波動と粒子の両方の性質を示すというものである。これは、量子力学の中心的な概念である。粒子」や「波」といった古典的な概念では、量子スケールの物体の振る舞いを完全に説明することはできない。

波としての粒子

電子は「ド・ブロイ波長」と呼ばれる波長を持っています。これは、次の式で計算することができます。

λ D = h ρ {displaystyle \lambda _{D}={Thrac {h}{rho }} } }. $\lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}$

λ D {} {displaystyle \lambda _{D}} $\lambda _{D}$ はドブロイ波長です。

h {displaystyle h} $h$ is Planck's constant

ρ {displaystyle \rho } $\rho$ は粒子の運動量です。

これによって、原子の中の電子は定在波のようなパターンを示すという考えが生まれました。

粒子としての波動

光電効果とは、十分なエネルギー（高い周波数）を持った光によって、金属の表面から電子が放出されることを示す。このときの電子を光電子と呼びます。