דואליות גל-חלקיק

דואליות גל-חלקיק (ובעברית: שניוּת גל-חלקיק), היא מושג בפיזיקה הגורס כי אנרגיה וחומר יכולים להציג הן תכונות של גל והן תכונות של חלקיק. זהו מושג מפתח במכניקה קוונטית המביע את חוסר היכולת לתאר באמצעות מושגים קלאסיים כמו "חלקיק" או "גל" את התופעות הנצפות על עצמים בקנה מידה קטן.
הרעיון של דואליות מקורו בוויכוח עתיק יומין על טיבם של האור והחומר ועל הרכיבים הבסיסיים של עולמנו. מעבר למושגים של חלקיק וגל, נשאלת השאלה: האם העולם הוא רציף ביסודו או שהוא בנוי מרכיבים בדידים, שתי גישות שנדמו כבלתי ניתנות לגישור. במשך השנים נצפו תופעות שונות שהצביעו למסקנות סותרות. דוגמה לכך היא ניסוי שני הסדקים שבו ניתן לראות תופעות גם חלקיקיות וגם גליות. עם התפתחות מכניקת הקוונטים, וביתר שאת לאחר ניסוח תורת השדות הקוונטים, התגבשה הבנה המשלבת, באמצעות מבנה מתמטי לא אינטואיטיבי, את שתי הגישות לתפיסה אחת. הבנה זאת מאתגרת את תפישת המציאות הנפוצה והיא מקור לדיונים פילוסופים החורגים משאלות פיזיקליות. 
לגבי סדרי גודל קטנים, מכניקת הקוונטים מקובלת בקרב הקהילה המדעית וכמעט שאין לגביה ויכוח. תופעות גליות נצפו גם עבור חלקיקים גדולים יותר ומורכבים כמו אטומים ואפילו מולקולות ווירוסים. בנוגע לשאלה האם ישנו סדר גודל מסוים בו הדואליות כבר לא מתקיימת והמציאות כפי שאנו חווים אותה משתקפת בחוקי הפיזיקה, אין עדיין קונצנזוס.

סוף המאה ה-19: הפרדיגמות מתנגשות

במשך שנים רבות, האלקטרודינמיקה הקלאסית טיפלה בהצלחה בחשמל כמו נוזל והובילה בין היתר להמצאה של סוללות, מנועים חשמליים, דינמו ומנורות קשת. בשלהי המאה ה-19 התורה האטומית החלה להתקדם אל תוך האטום עצמו ולקבוע, באמצעות הפיזיקה, את אופיו הפנימי של האטום ואת דרך הפעולה של תגובות כימיות. החשמל הובן כעת כמורכב מחלקיקים הקרויים אלקטרונים. עובדה זו הודגמה לראשונה ב-1897 על ידי ג'יי. ג'יי. תומסון, כאשר באמצעות שפופרת קרן קתודית, הוא מצא כי מטען חשמלי יכול לחצות ריק (אשר היה בעל התנגדות אינסופית בתאוריה הקלאסית). מכיוון שהריק לא הציע שום תווך לנוזל חשמלי לנוע, הדרך היחידה להסביר תופעה זו, היא באמצעות חלקיק הנושא מטען שלילי ואשר יכול לנוע בריק. האלקטרון התריס מול האלקטרודינמיקה הקלאסית בגלל היחס ההדוק בין אלקטרומגנטיות ומטען חשמלי שהיה מתועד היטב בעקבות התגליות של מייקל פאראדיי ומקסוול. התיאור הגלי של האלקטרומגנטיות והתיאור האטומי / החלקיקי של החשמל היוו סתירה לוגית. אך לא רק האלקטרודינמיקה הקלאסית נפגעה.

הופעת מכניקת הקוונטים - פוטונים וחלקיקים שהם גלים

בעיה נוספת צצה בהסבר לספקטרום של קרינת גוף שחור. חוק ריילי-ג'ינס תיאר את התופעה היטב באורכי גל ארוכים (אינפרה אדום) אך חישוב סה"כ הקרינה הנפלטת נתן ערך אינסופי באורכי גל קצרים (אולטרה סגול). קושי זה, שנקרא "האסון האולטרה סגול" נפתר ב-1901 על ידי מקס פלנק שכתב באמצעות קבוע פלנק נוסחה האומרת שבתדרים הקצרים יחסית לקבוע החדש ולטמפרטורה עוצמת הקרינה תהיה נמוכה. כדי להגיע לנוסחה נדרשה הנחה שבתדרים קצרים הקרינה באה במנות קבועות – ה"אטומים" של הקרינה. ב-1905 אלברט איינשטיין השתמש גם הוא במושג של מנות אור, אשר כיום מכונות פוטונים כדי להסביר את האפקט הפוטואלקטרי וב-1922 גילה ארתור קומפטון את אפקט קומפטון, בו אור מתפזר מחומר תוך כדי שאורך הגל גדל, והראה שכדי להסביר אותו צריך ליחס לאור אופי חלקיקי.
מושג המנות, או קוונטים, שימש ב-1913 את נילס בוהר כדי לבנות מודל למבנה האטום בו האלקטרונים נעים במסלולים סביב הגרעין אך רק מסלולים שבהם התנע הזוויתי של האלקטרון הוא כפולה שלמה של קבוע פלנק מותרים. הפורמליזם המתמטי פותח על ידי ורנר הייזנברג שהציג ב-1927 את עקרון האי-ודאות הטוען שלא ניתן לדעת את התנע ואת המיקום של חלקיק בו זמנית בדיוק שרירותי. הרעיון של בוהר הוביל גם את לואי דה ברויי להציג את השערת דה ברויי שאומרת שלחומר יש תכונות גליות שנקבעות על פי אורך גל דה ברויי