Valna teorija je granaklasične teorijske mehanike ielektromagnetske teorije (rođene u 19. stoljeću), podloga moderne fizikalne optike i nanofizike tenanotehnologije, kao i klasična sastavnica za fenomenologiju kvantne fizike i pitanja dualnosti kvantne mehanike. U valnu teoriju ubrajaju sevalna jednadžba zatransverzalne valove kao i zalongitudinalne valove uplinovima ikapljevinama, zatimMaxwellove jednadžbe ujedinjenog elektromagnetskoga polja, te stvaranja i širenjaelektromagnetskih valova uvakuumu kao i primjene tih jednadžbi (radio valovi,mikrovalna tehnika,toplinsko zračenje,svjetlost,rendgenske igama-zrake). Povijesno je valnu teoriju utemeljio Christiaan Huygens (1690.), a velik je doprinos dao i Robert Hooke. Prema Huygensu, svijetleća točka pobudi (potrese) sredstvo kojim se zatim šire svjetlosni valovi (Huygensovo načelo).Valovi se prenose posredstvom elementarnih valova, a njihova anvelopa (omotnica) jest nova fronta vala. Standardni su sadržaji valne teorije ogib (difrakcija), interferencija valova i polarizacija svjetlosti. Afirmaciju je valna teorija postigla kvantnom mehanikom.^[1]

Podrobniji članak o temi:Korpuskularna teorija

Korpuskularna teorija jeteorija koja se zasniva na pretpostavci da sesvjetlost sastoji od roja sitnihčestica koje se gibaju nekombrzinom. Postavio ju jeIsaac Newton 1672. kako bi objasnio ravnocrtno gibanje svjetlosti te pojave loma svjetlosti (refrakcija) i odbijanja svjetlosti (refleksija). Nasuprot tomu, Christiaan Huygens je 1678. razradio, a 1690. objavio valnu teoriju svjetlosti. Obje su teorije ujedinjene prihvaćanjem dualizma svojstava svjetlosti (na primjer foton)^[2]

Podrobniji članak o temi:Dualizam (fizika)

Dualizam (novolatinskidualismus, premalatinskomdualis: dvojan, dvostruk), ufizici, je fizikalno svojstvoelektromagnetskog zračenja (foton) iosnovnih čestica tvari da pokazuju ivalna i čestična svojstva, ovisno o okolnostima. Kada se elektromagnetsko zračenje širi prostorom, javljaju seogib (difrakcija) iinterferencija, što je dokaz da ima valna svojstva. Kada elektromagnetsko zračenje međudjeluje selektronima iz tvari prifotoelektričnom učinku, ono se ponaša poput roja sićušnih nedjeljivih čestica, grudicaenergije koje se zovufotoni. Dakle, u jednim okolnostima (međudjelovanje s elektronima umetalu) elektromagnetsko zračenje ponaša se kao roj čestica, a u drugim okolnostima (širenje prostorom) kao val.Louis de Broglie iznio je 1923.hipotezu da se analogno tomu ponašaju i čestice tvari, kao na primjer elektroni. Snop elektrona pri međudjelovanju s tvari na koju nalijeće ponaša se kao roj čestica, ali kada se taj snop širiprostorom, on pokazuje valna svojstva. Poslije jepokusima dokazano da se za snop elektrona dobivaju pojave ogiba i interferencije, to jest da pri širenju zaista pokazuje valna svojstva. Zato se ukvantnoj fizici česticama pridružujumatematičkefunkcije (valne funkcije), koje su rješenja određene valne jednadžbe (Schrödingerova jednadžba).^[3]

Louis de Broglie je u svojojdoktorskoj tezi iz1924. uveo hipotezu oelektronskimvalovima, odnosno pretpostavio da elektronima u pokretu treba pridružiti i valna svojstva. Prije njega, zahvaljujućiEinsteinovom objašnjenjufotoelektričnog učinka iPlanckovom objašnjenjuzračenjaapsolutno crnog tijela, ukazala se nužnost da se zrakama svjetlosti (elektromagnetsko zračenje) pridruže i čestična svojstva. De Broglie je stoga postavio obrnuto pitanje:"Ako svjetlost osim valnih posjeduje i čestična svojstva, da li onda česticama supstancije, kao što su, na primjer, elektroni, treba također, osim čestičnih, pridružiti i valna svojstva?"

Ovu njegovu pretpostavku o valnim svojstvima čestica znanstvena je javnost u prvi mah primila s nevjericom, pa čak i s podsmjehom. Međutim, njegovu teoriju su potvrdiliLester Germer iClinton Joseph Davisson1927. upokusu kojim je dokazanaogib ilidifrakcija elektrona nakristalima. Difrakcijska slika je bila dokaz valne prirode elektrona. Za rad na valnoj mehanici i za otkriće valne prirode elektrona dobio jeNobelovu nagradu za fiziku1929. Jedna od primjena njegovog otkrića jeelektronski mikroskop, koji je imao mnogo većurezoluciju od optičkihmikroskopa jer je valna dužina elektrona mnogo kraća od valne dužine svjetlosti. De Broglieova hipoteza postala je tako jedan od osnovnih postulata nove valne ilikvantne mehanike, ali također uvela u fiziku i problem takozvanog valno-čestičnog dualizma. Kao prikaz ove pojave danas se najčešće navodi pokus ogiba elektrona na dvostrukom prorezu.

Podrobniji članak o temi:Valovi tvari

Točna ispitivanjavodikova spektra pokazala su da su pojedineBalmerove linije sastavljene. Svakienergetski term cijepa se na više linija, koje leže vrlo blizu, tako da se tek preciznimspektrometrima mogu odijeliti.A. A. Michelson je kod vodikove linije H_α izmjerio dvije komponente, između kojih postoji razlikavalnih duljinaΔλ = 0,014 nm. Prema točnim mjerenjimaF. Paschena još je jasnija ta fina sastavljenostspektralnih linijaioniziranoghelija.

Vodik i ionizirani helij najjednostavniji su sustavi. Jedanelektron kreće se oko teškeatomske jezgre. Što bi tu moglo prouzrokovati cijepanjeenergetskih nivoa elektrona? Prvo tumačenje dao jeA. Sommerfeld u okviru starekvantne teorije. Sommerfeld je s pravom istakao da se prikvantiziranju elektronskih staza mora uzeti u obzirrelativistička promjenjivostmase sbrzinom. U relativističkoj mehanici ne opisuje elektron oko jezgreelipsu, negorozetu. To jegibanje u elipsi kojoj se polagano okreće glavnaos. Zbog toga elipse jednake velike poluosi, ali različitog impulsa vrtnje, nemaju više jednaku energiju.Energija ovisi i okvantnom brojun_φ. Velik je bio uspjeh Sommerfelda da je dobio jednadžbu koja je količinski dobro davala cijepanje energetskih nivoa vodika.

Nije samo relativistička mehanika zahtijevala promjenu stare kvantne teorije, nego se s druge strane teorijaatoma morala proširiti i hipotezom o vlastitom momentu elektrona. Paradoksno je bilo da su se mnoge finije spektroskopske činjenice protumačile ili relativističkim učinkom ili uzajamnim djelovanjemmagnetskih momenata, tako da se nije moglo točno odlučiti koju od hipoteza treba zaključno primijeniti. NiSchrödingerova valna mehanika, koja polazi odNewtonove, neralativističke mehanike, nije rasvijetlila to pitanje.Schrödingerova jednadžba dala je staruBohrovu jednadžbu bez Sommerfeldove korekcije i normalniZeemanov učinak, bez djelovanjaspina. Bilo je stoga nemoguće vidjeti koja su odstupanja od nerelativističke kvantne mehanikeHeisenberga i Schrödingera bila uzrokovana načelom relativnosti, a koja spinom. U toj dilemi pojavila se 1928.Diracova relativistička teorija elektrona, koja je čitavu problematiku razmrsila na neočekivani način i dala novi pravac čitavom razvoju teorije. Relativistička jednadžba Diraca dala je automatski finu sastavljenost spektralnih linija i spin elektrona. Relativistički učinak i spin svedeni su na zajednički korijen.

Pored svih uspjeha Diracova teorija nailazi i na velike poteškoće. Vrlo je neobično da energija elektrona može poprimiti pozitivan i negativan predznak. U Schrödingerovoj valnoj mehanici diskretne energije elektrona gomilaju se oko pozitivne vrijednosti +m∙c². Ispod te energije imamo diskretan Balmerov spektar, a iznad kontinuum pozitivnih energija. Naprotiv, u Diracovoj teoriji moguće su i sve negativne energije niže od -m∙c². Taj rezultat stavlja nas odmah u veliku zabunu.

Pojava negativnih energija neizbježna je u relativističkoj valnoj teoriji. Pomislimo samo na polazni odnos između impulsa i energije u relativističkoj mehanici:

${\displaystyle E=\pm \sqrt{(m\cdot c{)}^2+(c\cdot p{)}^2}}$

Realnomimpulsu pripada energija veća od +m∙c² ili manja od -m∙c². Uklasičnoj mehanici, naravno, isključujemo ovaj drugi matematički slučaj. Energija gibanja je pozitivna veličina. No situacija je u valnoj mehanici zamršenija. Možemo li i tu tvrditi da u prirodi dolaze samo pozitivne energije? Uzmimo opet vodikov atom, kod kojeg se elektron nalazi na nekom pozitivnom energetskom nivou, dakle nešto ispod +m∙c². Prema kvantnoj teoriji postoji izvjesna vjerojatnost da elektron prijeđe na nivoe negativne energije. Elektron će spontano, sam od sebe, emitirati kvante svjetlosti i padati na sve niže energetske nivoe. U Diracovoj teorijivodikov atom otkriva se najedanput kao nestabilan.

Kako da se spriječi da elektroni ne potonu u područja negativne energije? Dirac je potražio izlaz uPaulijevu načelu. Vidjeli smo da elektron ne može prijeći u stanje koje je već popunjeno nekim drugim elektronom. Dakle, kad bismo pretpostavili da su sva stanja negativne energije popunjena, vodikov atom ostao bi stabilan. Kako se god besmislenom čini ova pretpostavka, Dirac ju je ipak učinio. Razmotrimo posljedice ove neobične hipoteze.

Prije svega moramo istaći da od te beskrajne električne gustoće, koju stvaraju elektroni na negativnim energetskim nivoima, ne primjećujemo ništa. Usredotočimo pažnju na jedan elektron na nekom negativnom energetskom nivou. Budući da su sva stanja ispod njegova nivoa popunjena, on ne može spontano zračiti. No uzmimo sada da na ovaj elektron padnegama zračenje. Gama kvanti mogu imati dovoljno veliku energiju da elektron dignu na nivo pozitivne energije. Najmanja energija kvanta, koja je za to potrebna, iznosi 2∙m∙c². Kod te energije može elektron s energijom -m∙c² prijeći na energiju +m∙c². Što ostaje poslije takva prijelaza? Prije svega imamo jedan elektron s pozitivnom energijom, dakle jednu normalnu česticu. Osim toga nam u području negativne energije preostaje jedna "rupa". Dirac je pokazao da se ta "rupa" u području negativne energije ponaša kaopozitron. Manjak negativnog naboja očituje se kao pozitivni naboj. Proces koji je prouzrokovao gama kvant nije ništa drugo nego tvorba para elektron-pozitron. I obratno, u rupu u području negativne energije može pasti sada bilo koji normalni elektron, to jest onaj koji ima pozitivni energiju. Rupa se time popunjava, pa prestaje postojati jedan normalan elektron i jedan pozitron. I taj proces je iskustveno poznat kao poništenje elektrona i pozitrona uz emisiju gama kvanta.

Neobičnim objašnjenjem svoje jednadžbe Dirac je prorekao postojanje pozitrona i tvorbu para elektron-pozitron. Ti iskustveni nalazi pribavili su priznanje Diracovoj teoriji, ma kako se besmislenom činila prvobitna pretpostavka. Dirac se kasnije oslobodio naivne slike o popunjenim negativnim energetskim nivoima. On je postavio za električnu gustoću složen izraz, koji je sadržavao valne funkcije svih negativnih stanja. Iako je ta gustoća sprečavala spontani prijelaz u stanja negativne energije, ona je ipak u vakuumu iščezavala. Time je Dirac spasio staro shvaćanje vakuuma kao stanja bez energije. Najznačajniji je rezultat Diracove teorije pozitrona da se vakuum ponaša poput nekog fizičkog tijela. On sepolariziraelektričnim imagnetskim poljima. Danas je još vrlo teško reći što je realno na Diracovu vakuumu i do koje mjere Diracova "suptrakciona fizika" ispravno prikazuje prirodu. Ideja da se mjesto praznog prostora stare atomistike uzme fizički vakuum ima veliku privlačnu snagu i ona je u toku vjekova inspirirala danas već zaboravljene teorijeetera.

Dok je ubrzo nakon objave Diracove teorije bio pronađen pozitron, a isto tako i poništavanje parova elektrona i pozitrona, trebalo je da prođe četvrt stoljeća da se takav par nađe i protonu, iSegrévo otkrićeantiprotona 1955. u Berkeleyu uspostavilo je punu simetriju i za teške električne čestice. Usinkrotronu goleme energije vidi se kako nastaju dvije čestice mase protona, ali suprotnog preznaka naboja; zacijelo, nagativni antiproton brzo iščezava u sudaru sprotonima, to je vrlo nestabilni stanovnik naše Zemlje. Međutim, po Diracu su moguće svemirske situacije gdje bi atomske jezgre bile sastavljene od antiprotona, a oko negativno nabijenih jezgri vrtjeli bi se pozitroni. Kako bi takvi inverzni atomi emitirali iste spektralne linije, "antisastav" se uopće ne bi razabrao.

Po Diracovoj teoriji svaka čestica ima svojuantičesticu s kojom se poništava. Godinu dana poslije otkrića antiprotona našla je ista grupa istraživača u Berkeleyu sa Segréom iantineutron, koji također nemaelektričnog naboja, ali ima suprotnimagnetski moment od običnog neutrona. Magnetski moment te neutralne čestice tumači se virtualnimmezonima koji prenose sile između protona i neutrona i pri tom izazivaju njihovu uzajamnu pretvorbu. Nakon toga uvriježilo se u popularnoj literaturi naziv antimaterija, sastavljene od antičestica, što označava prikazane odnose i ne mora nikoga da zbuni u nekim "filozofskim" spekulacijama.

Istovjetnost pozitivnog i negativnog naboja pojavila se 1957. u novom svjetlu kad suC. N. Yang iT. Lee uzdrmali načelopariteta. Dotad je vrijedilo kao neosporno da se zrcaljenjem prostora ništa ne mijenja u fizičkoj situaciji (zrcalna slika elektrona isti je elektron). Međutim, pokusi su potpuno potvrdili ideju Yanga i Leea da to nije tako. Pri zrcaljenju prostora mora se promijeniti i predznak naboja. Prema tome bi pozitivna čestica bila zrcalna slika negativne. Pad načela pariteta ukazao je na dublje jedinstvoprostora ielektričnog naboja.^[4]

• Povijest fizike