לאור יש נטייה להתנהג לפעמים כמו גל ולפעמים כמו חלקיק. הויכוח האם האור הוא גל או חלקיק נמשך מעל 200 שנה, והוכרע רק בתחילת המאה הקודמת. 

גל הוא הפרעה המתקדמת במרחב. דוגמאות נפוצות לגלים הן גלי אור וגלי קול. גלי קול הם הפרעה המתקדמת בתווך שבו חלקיקים (למשל מולקולות האוויר). גלי אור [1] הם גלים אלקטרומגנטים שייחודם הוא שהם לא זקוקים לתווך כדי להתקדם ולכן מתקדמים גם בריק. אחת התכונות המייחדות גלים היא התאבכות. כשגלים נפגשים הם יכולים להתאבך בצורה חיובית וליצור גל שעוצמתו היא עד פי 4 מעוצמת הגלים, או להתאבך בצורה שלילית ולבטל לחלוטין זה את זה.

האור התנהג בצורה חמקמקה במשך מאות שנים, במהלכן לא היה ברור האם הוא גל או חלקיק. במהלך המאה ה-17, בעקבות שורת תגליות של הפיזיקאי האיטלקי פרנססקו גרימלדי ושל הפיזיקאי ההולנדי כריסטיאן הויגנס [2], השתרשה ההבנה שהאור מבצע עקיפה, תופעה בה בעקבות פיזור ממחסום נוצרת חזית גל בעלת צורה חדשה, גילוי שהוביל לתאוריה האופטית של האור, וחיזק את התפיסה לפיה האור הוא גל. מעט מאוחר יותר, הגיע הפיזיקאי הבריטי אייזק ניוטון לתובנה הפוכה, לפיה האור עשוי דווקא חלקיקים. הוא העביר קרני אור לבן במנסרה ופיצל אותן לצבעים השונים. המסקנה שלו הייתה שהאור עשוי חלקיקים בצבעים שונים, והמנסרה מפרידה ביניהם. 

מאה שנים אחר כך, הפיזיקאי הצרפתי פרשנל הראה כי האור מבצע התאבכות, תופעה שלא הובנה כראוי קודם לכן בשל אורך הגל הקצר של האור הנראה, שגרם לאפקטים להיות פשוט חלשים מדי. הסיבה היא שאורך הגל קובע את הגודל האופייני של התופעות הקשורות לגל ובמקרה של אור נראה, מדובר על מאות ננומטרים. הפיזיקאי הבריטי תומאס יאנג השלים את התפיסה לפיה אור הוא גל כשהעריך את אורך הגל של האור מתבניות התאבכות. לקראת אמצע המאה ה-19 המהנדס הבריטי ג׳ימס מקסוול הכריע סופית את הויכוח (או לפחות, כך חשבו אז) כשהדגים שהאור הוא למעשה גל אלקטרומגנטי.

בנקודה זו, הסברה לפיה אור הוא גל הפכה לכמעט מוסכמה, ונראה היה שהוויכוח הוכרע. מי שהפך את הקערה על פיה היה איינשטיין: איינשטיין הבין לבסוף שלאור, למרות הכל, יש פן חלקיקי והוא מורכב מחבילות אנרגיה (קוונטים) שלימים נקראו פוטונים. גילוי זה הוביל לקבלת פרס הנובל לפיזיקה בשנת 1905.

כיצד זה קרה? איינשטיין התעניין בתופעה חשובה הנקראת האפקט הפוטואלקטרי [3]. בתופעה זו, נפלטים אלקטרונים ממתכת כשפוגע בה אור. אם מחברים את המערכת למתח חיצוני בתצורות מסוימות, יווצר זרם. לאלקטרונים שנפלטים יש תכונות שונות התלויות בתכונות האור. תופעה אחת בתהליך הזה בלטה במיוחד במוזרות שלה, ולא זכתה להסבר ראוי במשך זמן רב: כדי ליצור זרם (לנתק את האלקטרונים מהמתכת) היה חייב להיות לאור תדר גבוה מספיק. תופעה זו הממה את עולם המדע שכן היא לא תואמת התנהגות של גל. גל צפוי, ללא שום תלות בתדר שלו, ״לנענע״ את האלקטרונים שקשורים לשפת המתכת ולתת להם מספיק אנרגיה שתאפשר את ניתוקם.

לאור יש פן חלקיקי. בפן זה, הוא לא מעביר אנרגיה בצורה רציפה אלא ב״מנות״ (קוונטות) של אנרגיה, כשכל מנה היא אנרגיית חלקיק. לכן, לחלקיק בודד חייבת להיות אנרגיה גבוהה מספיק כדי לשחרר אלקטרון, כאשר אנרגית החלקיק קשורה לגודל המדיד "תדר".

באנלוגיה, אפשר להסתכל על המתכת שבניסוי כעל קופסה שבתוכה יש כדורים קטנים (אלקטרונים). נדמיין כי יורים על הקופסה קליעים (פוטונים), כך שכל קליע פוגע באלקטרון אחד. אם לקליע יש מספיק אנרגיה הוא ידחוף אלקטרון אל מחוץ לקופסה. כעת נניח כי לקליע של אור אדום, אין מספיק אנרגיה כדי לזרוק אלקטרון אל מחוץ לקופסה. לכן, גם אם נירה מאה קליעים שיפגעו במאה אלקטרונים, לאף אחד מהם לא תהיה מספיק אנרגיה כדי להשתחרר מהקופסה. לעומת זאת, אם נשתמש בקליעים סגולים בעלי אנרגיה מספקת, כל קליע שיפגע באלקטרון יעיף אותו אל מחוץ מהקופסה. איינשטיין הסביר באופן זה מדוע אור אדום לא יצליח לפלוט אפילו אלקטרון אחד מפני המתכת, ולא חשובה עוצמתו (העוצמה יחסית למספר הפוטונים), ואילו אור סגול, גם אם עוצמתו מזערית (מספר מועט של פוטונים) יצליח במשימה (כי כל פוטון נושא מספיק אנרגיה כדי להעיף אלקטרון מחוץ לפני המתכת). 

אז מה קרה כל השנים? כיצד הצליח האור לתעתע בנו? הפתרון טמון בתורת הקוונטים. בניגוד לפיזיקה הקלאסית, בתורת הקוונטים חלקיקים אינם מתנהגים כמו ״גוף מוצק וקשיח״ אלא מתוארים על ידי פונקציית גל, שהיא באופן פשטני ״ענן״ הסתברות של מיקום החלקיק. בתיאור זה, חלקיקי האור (הפוטונים) יכולים לבצע עקיפה והתאבכות כמו גלים, ובאופן זה הטעו את עולם המדע. חשוב לציין כי כל החלקיקים בפיזיקה הקוונטית מתוארים על ידי פונקציות גל. בפרט, גם האלקטרון הוא חלקיק המתואר על ידי פונקציית גל. גם האלקטרון מתנהג לעיתים כמו גל, כאשר הוא מבצע התאבכות.

ההבנה של איינשטיין הסירה את המסכה מעל פני הפוטון וחשפה את אופיו האמיתי, חלקיק שמתנהג לעיתים כמו גל או גל שמתנהג לעיתים כמו חלקיק. האור עוטה את התחפושת שמתאימה לסיטואציה הפיזיקלית בה הוא נתון. תובנה חשובה זו הייתה אחד הגורמים העיקריים להתפתחות הפיזיקה הקוונטית.

מקורות וקריאה נוספת

[1] אור

[2] עיקרון הויגנס

[3] האפקט הפוטואלקטרי