دوگانگی موج و ذره

سرچشمه این تئوری

مسئله دوگانگی به بحثی پیرامون ماهیت نور و ماده در قرن ۱۷ ام باز می‌گردد که تئوریهای رقیب مربوط به نور توسط کریستین هویگنس و آیزاک نیوتن مطرح شدند. نیوتن معتقد بود که نور تنها از ذرات تشکیل شده در حالی که هویگنس نور را تنها شامل امواج می‌دانست. بر اساس تحقیقات ماکس پلانک، آلبرت اینشتین، لویی دوبروی، آرتور کامپتون، نیلز بور و بسیاری از دانشمندان دیگر، امروزه تمامی ذرات را دارای خاصیت موجی هم می‌دانیم و برعکس. این پدیده نه تنها برای ذرات بنیادی که برای ذرات ترکیبی همچون اتمها و مولکولها نیز به اثبات رسیده است. طول موج مربوط به ذرات بزرگ بسیار کوچک بوده و معمولاً قابل آشکارسازی نیست.

نقش قرن بیستم و تغییر الگو

ذرات الکتریسیته
الکتریسیته در ابتدا به صورت یک سیال تصور می‌شد ولی اکنون می‌دانیم که از ذراتی به نام الکترونها تشکیل شده است. این کشف توسط جوزف تامسون با آزمایش لامپ پرتو کاتدی در سال ۱۸۹۷ انجام شد. او در این آزمایش متوجه شد که بارهای الکتریکی قادر به عبور از داخل یک لامپ خلأ هستند. نتیجه این آزمایش با ماهیت سیال بودن الکتریسیته در تناقض بود زیرا خلأ دارای مقاومت بی‌نهایت و فاقد هر گونه ماده‌ای برای هدایت الکتریسیته بود. از طرفی الکترومغناطیس به صورت امواج متغیر الکتریکی و مغناطیسی تصور می‌شد و پذیرفتن الکتریسیته و بارها به صورت ذرات کار آسانی نبود.
 تابش ناپیوسته
تابش جسم سیاه یعنی همان تابش انرژی الکترومغناطیسی حاصل از دمای یک جسم نمی‌تواند به تنهایی توسط تئوری کلاسیک توصیف گردد. 
 نور تابیده شده از اجسام با دمای بالا دارای یک طیف مشخص است که با دما تغییر می‌کند. اجسام با دمای بالاتر در طول موجهای پایین‌تر (آبی\فرابنفش) دارای شدت نور بیشتر و اجسام سردتر در طول موجهای بالاتر (قرمز\زیر قرمز) دارای شدت نور کم تر  هستند. انتظار بر آن بود که در طول موجهای خیلی پایین، انرژی تابش شده بسیار زیاد باشد ولی در عمل اینگونه نبود. این تناقض به فاجعه فرابنفش معروف است. ماکس پلانک این معما را حل کرد با بیان اینکه که اتمها تشعشعات را تنها در بسته‌های مشخص و ناپیوسته کوانتا یا فوتون جذب یا نشر می‌کنند؛ بنابراین انرژی تنها در مقادیر مشخص و ناپیوسته موجود است. پلانک به دنبال این کشف در سال ۱۹۱۸ برنده جایزه نوبل شد.

اثر فوتوالکتریک

پنج سال بعد از پلانک، آلبرت اینشتین توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس فوتونها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترونهای اتم، انرژی خود را به آنها داده و خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.
بعد از برخورد، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و یک جریان فوتوالکترونی را در مدار خارجی ایجاد می‌کند. مقدار جریان در مدار خارجی بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

پیشرفتهای مهم

هویگنس و نیوتن 
اولین تئوری جامع درباره نور توسط هویگنس بیان شد. او تئوری موج را برای نور بیان کرد و نشان داد که چگونه تداخل امواج سبب ایجاد یک جبهه موج با خط سیر مستقیم می‌گردد. در پی عدم موفقیت این تئوری در مورد سایر مواد، نیوتن تئوری ذره‌ای نور را بیان کرد. او نور را شامل ذرات می‌دانست و در نتیجه توضیح برخی پدیده‌ها مانند بازتاب آسان بود. این تئوری همچنین قادر به توضیح شکست نور توسط یک عدسی یا تشکیل یک رنگین‌کمان توسط یک منشور بود. این تئوری تا یک قرن پا بر جا ماند.
 یانگ، فرینل و ماکسول 
 در اوایل قرن ۱۹ میلادی توماس یانگ و آگوستین فرینل با انجام آزمایش دوشکاف شواهد تازه‌ای برای تئوری موج هویگنس ارائه کردند. این آزمایشها نشان داد که زمانی که مانعی شامل دو شکاف در مسیر عبور نور قرار داده شود، نور خروجی یک الگوی تداخل امواج را مانند آنچه در امواج آب دیده می‌شود ایجاد می‌کند. این تئوری قادر به توضیح پدیده قطبش بود.
جیمز کلارک ماکسول در اواخر قرن بیستم میلادی با ارائه معادلات ماکسول، نور را به صورت امواج الکترومغناطیسی معرفی کرد. این معادلات در سال ۱۸۸۷ توسط آزمایشهای هاینریش هرتز تأیید و از آن پس تئوری موج فراگیر شد.