Artikkel

Er lys bølger eller partikler? Fysikerne er i villrede

lys og farger
Dette er skyggen av en metallkule som blir belyst av en vanlig laser. Denne, som kalles «Aragos flekk», er umulig å forklare hvis man tenker på lys som partikler, men gir mening hvis man ser på det som bølger. Foto: Arnt Inge Vistnes

Er lys bølger eller partikler? Fysikerne er i villrede

Lyset en fantastisk del av livet. Glitrende små lysglimt fra snødekte bakker i vintersola eller glitrende krus på sjøen en sommerdag beriker livet vårt, for ikke å glemme det å oppleve et kjærlig smil fra den vi er mest glad i. De hadde det vært vanskelig å se hvis alt var mørkt.

Hva er egentlig lys? Noen sier at det er bølger eller partikler, eller begge deler. Disse spørsmålene har ridd vitenskapen i flere århundrer. Er vi nå i ferd med å forstå lyset bedre?

Det meste kan forklares som bølger

Det aller meste som har med lys å gjøre kan forklares mye lettere med bølger enn med partikler.

Lys går saktere gjennom glass enn gjennom luft. Det synes mange er lett å forstå ved å tenke på lys som partikler som blir bremset ned når de skal tråkle seg mellom atomene i glasset.

Med en slik forklaring får man store problemer med å forstå at lyset øker farten til normal lyshastighet igjen straks det er ute av glasset, hva er det som gjør at fotonene plutselig får en fartsøkning? Beskriver vi lyset som bølger får vi ingen slike problemer.

Arnt Inge Vistnes
Arnt Inge Vistnes, Foto: Privat

Lys som bølger kan også forklare at vi ser flere og flere detaljer på overflaten til Månen når vi bruker større og større speil i et teleskop, mens partikkelforklaringen er problematisk der også.

Forskjellen ligger i at lysbølger kan ha så stor utstrekning at hele speilet treffes av «samme bølge» samtidig, mens en skur av uavhengige partikler ikke har samme lovmessigheten.

Med bølgemodellen er det også lett å forklare hva vi mener med frekvens og bølgelengde, og hvorfor vi får en rekke adskilte reflekser dersom vi lyser på baksiden av en CD-plate med en laserpeker (prøv!). Ingen av disse tingene er lette å forklare dersom lys skulle være partikler!

Noe forklares best med partikler

Det finnes imidlertid andre fenomener som lettest kan forklares ved å betrakte lys som partikler, eller «fotoner». På skolen lærte man at det er fotoner og den fotoelektriske effekten som forklarer hvordan solceller virker: Fotonene betraktes som små energipakker som kan treffe et elektron i solcellen og gi fra seg hele energien til dette ene elektronet som da bidrar til den elektriske strømmen vi får fra solcellen.

Ett foton gir ett ledningselektron. Hvis man prøver å forklare dette med lysbølger blir det ikke fullt så elegant.

Det finnes imidlertid noen ganske kompliserte eksperimenter vi rett og slett ikke ennå klarer å forklare med lysbølger. Når vi sender lys gjennom en glassplate, blir noe reflektert og noe går gjennom glasset.

Dersom vi gjør det samme med svært svakt lys, synes det i enkelte sammenhenger som om at lyset går gjennom glasset som små energipakker, fotoner, som ikke kan deles. Enten blir et foton reflektert, eller så går det gjennom glasset i sin helhet. I alle fall tolkes eksperimentene slik. En bølge ville ikke oppført seg på denne måten.

Er det bølger eller partikler?

Vi får stadig bedre og bedre forståelse av lys i ulike sammenhenger. Det har vist seg at det er mange detaljer å holde rede på. Den grunnleggende undringen knyttet til bølge eller partikkel er imidlertid like sterk i dag som tidligere.

Riktignok var det et stort oppslag i mars i år om at det nå endelig var tatt det aller første fotografiet som viser at lys oppfører seg som partikler og bølger på samme tid.

Den påstanden var nok litt drøy, for vi fikk inntrykk fra oppslaget at ett og samme foton skulle vise både bølge- og partikkelegenskapene samtidig, mens fotografiet viser millioner av fotoner som inngår i et eksperiment der begge formene inngår. Det er egentlig ikke så spesielt. Episoden vitner om hvor intenst vi ønsker å få en bedre forståelse av lys.

lys og farger
Denne laseren lager lyspulser som er 0,000000000000050 sekunder lange. Disse korte lyspulsene brukes for å sammenligne såkalte "sammenfiltrede fotoer" med lyspulser vi har mer kontroll over, for å forstå lys bedre. Foto: Arnt Inge Vistnes

Ole Brumm løsningen: «Ja takk, begge deler!»

Kan vi ikke bare slå oss til ro med både-og-løsningen? Det var Niels Bohr i København som innførte den såkalte “bølge-partikkel-dualismen” for snart hundre år siden. Han uttalte seg ikke om hvordan lys ER, for han var tilhenger av en filosofisk retning kalt logisk positivisme.

For ham er hensikten med vår beskrivelse av lys at vi skal kunne forutsi hva vi kan måle dersom vi bruker lys i en eller annen sammenheng.

Han mente det var nytteløst å tro at vi med våre begrensede sanser og fornuft noen gang skal kunne forstå hvordan lys ER. Han valgte da å beskrive lys som bølger av og til og som partikler andre ganger, men valgte det ene eller det andre rett og slett bare for å få beregningene til å stemme.

Filosofiske sider

Jeg selv, og kanskje de fleste med meg, har et annet filosofisk ståsted. Vi vet at vi ikke kan vite nøyaktig hvordan verden eller lyset ER, men vi søker etter en forklaring som vi håper har en del til felles med hvordan lys virkelig ER.

Dessuten ønsker vi en mer konsistent beskrivelse enn Bohrs både-og-forklaring.

For bølgebeskrivelsen innebærer for eksempel at lyset fra en fjern stjerne må ha en utstrekning på minst flere meter, selv når lyset er svært svakt, mens partikkelbeskrivelsen tilsier at lyset (fotonet) må være mye, mye mindre.

Dersom vi forsøker å finne en god beskrivelse av lys, kan vi ikke operere med to motstridende beskrivelser som vi bare velger blant etter forgodtbefinnende.

Hvilken smart idé er det vi mangler?

Ingen har ennå bestemt hvor stort et foton er. Vi er heller ikke sikker på om det vil være fruktbart å bruke begrepet «foton» om hundre år. Det synes som om at vi mangler noe vesentlig.

Vi håper at det snart kan dukke opp en ny Einstein som har djervheten til å tenke nytt.

I mellomtiden føler jeg det er meningsfylt å forske på lys for å bringe fram nye detaljer som kanskje en fremtidig Einstein kan ha nytte av når nye beskrivelser skal utformes.

Artikkelen har tidligere vært publisert i Aftenposten Viten

Kontakt:

Førsteamanuensis Arnt Inge Vistnes ved Fysisk institutt

Les også:

Sollyset - en nøkkel til kunnskap

Tags: 

Les også