השערת דה ברויי

השערת דה ברויי קובעת שלחלקיקי חומר יש גם אופי גלי. לואי דה ברויי הציע זאת ב-1923, ועל כך קיבל פרס נובל ב-1929. הרעיון נעוץ בדואליות גל-חלקיק: אם גלים יכולים לפעול כמו חלקיקים, אז חלקיקים יכולים גם להתנהג כמו גלים.

הגדרה פשוטה ומרכזית היא אורך גל דה ברויי: λ = h/p. כאן h הוא קבוע פלאנק (מספר קטן שמקשר בין אנרגיה לתדירות), ו-p הוא התנע (מסת החלקיק כפול מהירותו). עבור מצב רלטיביסטי מוסיפים את הגורם γ, כך שהביטויים הופכים ל-λ = h/(γmv) וכו'.

תדירות הגל מקושרת לאנרגיה לפי f = E/h. כלומר ככל שאנרגיית החלקיק גבוהה יותר, כך התדירות גבוהה יותר ואורך הגל קצר יותר.

ניסוי מרכזי שאישש את ההשערה בוצע ב-1927 על ידי דייוויסון וגרמר במעבדות בל. הם השליכו אלקטרונים אל מטרה של ניקל גבישי ומדדו דפוסי התאבכות (התאבכות = כאשר גלים מתחזקים או נחלשים זה את זה). דפוסי ההתאבכות שראו זהים לתחזיות של חוקי בראג לנצילות קרני רנטגן. ממצא זה הראה שאלקטרונים הפכו לגלים בתנאים מסוימים.

התוצאה הזו הייתה חשובה מאוד בהתפתחות מכניקת הקוונטים. במקביל הוצגה מצד אחד טבע חלקיקי של האור (קומפטון), ומצד שני טבע גל של החומר (דייוויסון-גרמר), ושלם בכך את רעיון דואליות גל-חלקיק. מאז הניסוי אושרה ההשערה גם עבור חלקיקים אחרים ואפילו מולקולות גדולות; ב-1999 הראו התאבכות עבור מולקולות פולרנים (מולקולות ענק).

תאורטית גם עצמים גדולים בעלי אופי גלי, אך עבור מאקרו־גופים אורך הגל קטן ביותר. למשל, כדור בייסבול של 0.15 ק"ג שנע ב-40 מ/ש יקבל אורך גל בסדר גודל של 10^-34 מטר. זה קטן בהרבה ממה שניתן למדוד, ולכן אין לנו יכולת לראות התנהגויות גליות עבור חפצים יומיומיים.

דה ברויי חשב שחלקיקים כמו אלקטרונים יכולים להתנהג גם כמו גלים. הוא הציע זאת ב-1923.

אורך גל דה ברויי אומר שאם לחלקיק יש תנע (מסתו כפול מהירותו), אז יש לו גם אורך גל. ככל שהתנע גדול יותר, אורך הגל קטן יותר. תדירות הגל קשורה לאנרגיה: יותר אנרגיה = תדירות גבוהה.

ב-1927 עשו ניסוי שבו יישרו אלקטרונים לעבר גביש ניקל. הם ראו דפוס שמזכיר גלים. זה הראה שאלקטרונים יכולים ליצור התאבכות. התאבכות זו כשהגלים פוגשים זה את זה ויוצרים דפוס של חזק וחלש.

מאוחר יותר אישרו גם חלקיקים ומולקולות גדולות את הרעיון. ב-1999 הראו התאבכות אצל מולקולות ענק בשם פולרנים.

גם דברים גדולים יש להם אורך גל תאורטי. אבל הוא ממש קצר. למשל, כדור בייסבול מהיר ייווצר לו אורך גל קרוב ל-10^-34 מטר. זה קטן מאוד, ולכן אי אפשר לראות את ההתנהגות הזו בחפצים גדולים.