ustawienie fal powoduje interferencję destruktywną (c).
W rezultacie powstaje wzór naprzemiennie ułożonych jasnych i ciemnych prążków interferencyjnych, który można zaobserwować na fotografii (rysunek 7). Jasne paski powstają w wyniku interferencji konstruktywnej, a ciemne w wyniku interferencji destruktywnej.
RYSUNEK 7. Przepuszczone przez dwie wąskie, blisko położone przesłony czy też szczeliny światło wytwarza wzór składający się z naprzemiennie położonych jasnych i ciemnych prążków. Z łatwością daje się to wyjaśnić na gruncie falowej teorii światła, zgodnie z którą nakładające się na siebie fale podlegają interferencji konstruktywnej (dając jasny prążek) i destruktywnej (ciemny prążek).
Problem w tym, że fale są zaburzeniami rozchodzącymi się w czymś. Wrzucenie kamienia wywołuje zaburzenie na powierzchni wody i to fale rozchodzące się w wodzie powodują zmarszczki na powierzchni stawu. A zatem w czym rozchodzi się zaburzenie będące falą świetlną? Fizycy w XIX i na początku XX wieku dowodzili, że fale świetlne rozchodzą się w przenikającej cały Wszechświat subtelnej formie materii zwanej eterem. Niestety, nie udało się znaleźć żadnych dowodów doświadczalnych na potwierdzenie jego istnienia.
Nie wierząc w istnienie absolutnej przestrzeni i czasu, Einstein nie wierzył także w istnienie eteru. Dowodził, że opublikowana wcześniej, w 1900 roku, praca niemieckiego fizyka Maxa Plancka sugeruje całkowicie odmienną interpretację natury światła. Planck doszedł do wniosku, że światło zachowuje się tak, jak gdyby materia nieustannie absorbowała i emitowała je w odrębnych porcjach czy też „pakietach” energii, które nazwał kwantami. Einstein wysunął śmiałą tezę, że dzieje się tak, ponieważ światło rzeczywiście składa się z kwantów.
Einstein nie wrócił po prostu do idei korpuskuł Newtona. Nikt nie podważał dowodów falowej natury światła, takich jak dyfrakcja i interferencja. Opisując w swoim artykule „kwanty światła”, jak je nazywał, zachował ich kluczową cechę, jaką jest częstotliwość: częstotliwość charakteryzuje fale (odpowiada liczbie oscylacji fali od grzbietu do doliny i z powrotem w danej jednostce czasu, zwykle w jednej sekundzie).
Zatem jak to możliwe, by kwanty, czy też „cząstki” światła, były zarazem falami? Cząstki z definicji są dokładnie zlokalizowanymi kawałkami materii – znajdują się „tutaj” lub „tam”. Fale są rozciągłymi zaburzeniami w ośrodku, znajdują się „wszędzie”, wciąż się rozprzestrzeniając. W jaki sposób kwanty światła mogą być zarazem tutaj, tam i wszędzie?
Ponieważ były to idee w dużym stopniu oparte na spekulacjach, naukowcy nie spieszyli się z ich akceptacją. Tymczasem Einstein wykorzystał je do sformułowania pewnych przewidywań dotyczących zjawiska znanego jako efekt fotoelektryczny. Dziesięć lat później, w 1915 roku, jego przewidywania znalazły pełne potwierdzenie w eksperymentach przeprowadzonych przez fizyka amerykańskiego Roberta Millikana. W 1921 roku Einstein otrzymał za swoją pracę Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, aczkolwiek jego hipoteza kwantów światła nadal zaliczała się do dość kontrowersyjnych.
Dwa lata później amerykański fizyk Arthur Compton oraz holenderski teoretyk Pieter Debye wykazali, że światło może ulegać „odbiciu” od elektronów, czemu towarzyszy przewidywalna zmiana częstotliwości. Ich doświadczenia jednoznacznie dowiodły, że światło rzeczywiście składa się z cząstek, które niczym małe pociski poruszają się po określonych trajektoriach. Stopniowo kwant światła stawał się coraz mniej kontrowersyjny, a bardziej akceptowalny. W 1926 roku amerykański chemik Gilbert Lewis ukuł dla niego nazwę „foton”.
Historia na tym się nie kończy. W 1923 roku książę Louis de Broglie19, młodszy syn Victora, piątego diuka de Broglie, wysunął zdumiewającą hipotezę20:
Po długich samotnych rozważaniach i medytacjach, w 1923 roku, nagle przyszła mi do głowy idea, że odkrycie Einsteina z 1905 roku należy uogólnić, tak aby dotyczyło wszystkich cząstek materii, a zwłaszcza elektronów.
Być może, skoro fale świetlne o pewnej charakterystycznej częstotliwości mają powiązane z nimi cechy właściwe dla cząstek, rozumował de Broglie, to cząstki w rodzaju elektronów, o pewnej charakterystycznej masie, mogą mieć stowarzyszone z nimi właściwości falowe.
De Broglie sugerował, że w pewnych okolicznościach elektron może zachowywać się niczym zaburzenie falowe. Oznaczałoby to, że zasadniczo rzecz biorąc, wiązka elektronów może ulegać takiej samej dyfrakcji jak promień światła, a przechodząc przez dwie blisko siebie położone szczeliny – doznawać interferencji. Wydaje się to naprawdę dziwaczne: w jaki sposób mająca masę, ograniczona cząstka może dawać efekt interferencji?
Dalej jest jeszcze gorzej. Wyobraźcie sobie, że możemy zredukować natężenie wiązki elektronów do takiego poziomu, iż przez szczeliny przechodzi średnio jeden elektron naraz. Dokonujemy detekcji elektronów po drugiej stronie przesłony, rejestrując je na kliszy fotograficznej. Co spodziewamy się zobaczyć?
Instynkt podpowiada nam, że każdy elektron musi przejść przez jedną lub drugą szczelinę. W końcu zakładamy, że mamy do czynienia z cząstką elementarną, niepodzielnym kawałkiem substancji przenoszącym jednostkę ujemnego ładunku elektrycznego. W swojej naiwności możemy sądzić, że niemożliwe jest, by taka cząstka dała obraz interferencyjny. I rzeczywiście, kiedy przeprowadzimy eksperyment, przekonamy się, że przepuszczony przez szczeliny pojedynczy elektron zostawia na kliszy fotograficznej jedną – i tylko jedną – kropkę. Tu cię mamy. A nie mówiłem?
Zaraz, zaraz. Ponieważ przepuszczamy przez szczeliny coraz więcej elektronów – po jednym naraz – na kliszy pojawia się coraz więcej i więcej kropek. Ukazuje się wzór interferencyjny (rysunek 8).
RYSUNEK 8. Możemy obserwować elektrony, przechodzące jeden po drugim przez aparaturę z dwiema szczelinami, rejestrując ślady ich zderzeń z kliszą fotograficzną. Każda biała kropka wskazuje miejsce detekcji pojedynczego elektronu. Zdjęcia (a)–(e) ukazują obrazy powstałe w wyniku zarejestrowania odpowiednio 10, 100, 3000, 20 000 i 70 000 elektronów. Wraz ze wzrostem liczby zarejestrowanych cząstek coraz wyraźniej uwidacznia się wzór interferencyjny.
Jedynym logicznym wyjaśnieniem takiego wyniku eksperymentu jest założenie, że każdy elektron zachowuje się jak fala, przechodząc przez obydwie szczeliny naraz. Kiedy powstała fala uderza w kliszę fotograficzną, ulega „redukcji”, najwyraźniej w sposób losowy, tworząc punkt. Prawdopodobieństwo powstania punktu jest znacznie wyższe tam, gdzie amplituda fali została wzmocniona przez interferencję konstruktywną, i znacznie niższe tam, gdzie amplituda została zniesiona wskutek interferencji destruktywnej.
Szokująca idea de Broglie’a stanowiła jeden z fundamentów, na których w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku zbudowano teorię kwantową.
Jak powinniśmy interpretować takie zachowanie? Prawda jest taka, że w gruncie rzeczy nie wiemy. Zdajemy sobie sprawę, że za zachowaniem falowym kryje się cecha zwana fazą, która charakteryzuje wszystkie cząstki kwantowe. W pewnym sensie faza fali to po prostu miejsce w cyklu grzbiet–dolina. Spójrzcie jeszcze raz na rysunek 6. Fale (a) są wyrównane, czyli są „w fazie”. W punkcie (b) ich fazy nieco się różnią (prawdę mówiąc, o 90 stopni). W punkcie (c) ich fazy są całkowicie niezgodne (180 stopni).
W praktyce bezpośrednia obserwacja fazy cząstki kwantowej jest niemożliwa. Pomiary mogą jedynie wykryć własności, które zależą od fazy, nigdy nie ujawnią samej fazy. Niezależnie od tego, jakie jest jej źródło, faza jest cechą, która sprawia, że obserwujemy zachowania