Wat zijn materiegolven?
Materiegolven, ook wel de Broglie-golven genoemd, zijn de golfachtige aard van alle materie, inclusief de atomen waaruit je lichaam bestaat. Een van de eerste en belangrijkste bevindingen van de kwantumfysica is dat elektronen een dubbele golfdeeltjeskarakter hebben. Het werd al snel duidelijk dat alle materie deze dubbele aard heeft, maar omdat conventionele materie een hoge impuls heeft ten opzichte van elektronen, is de golflengte van de materiegolven erg klein, en in de meeste gevallen nauwelijks merkbaar. De golflengte van de materie waaruit een persoon bestaat, is bijvoorbeeld in de orde van 10-35 meter , veel kleiner dan kan worden waargenomen met behulp van huidige meettechnologieën.
Het concept van materiegolven werd voor het eerst opgehelderd door de Franse natuurkundige Louis de Broglie, die de vroege theorieën uitbreidde die werden voorgesteld door Albert Einstein, Max Planck en Neils Bohr. Bohr bestudeerde voornamelijk het kwantumgedrag van waterstofatomen, terwijl de Broglie deze ideeën probeerde uit te breiden om een golflengtevergelijking voor alle materie te bepalen. De Broglie bedacht een theorie en presenteerde deze in zijn proefschrift uit 1924, waarvoor hij in 1929 de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg. Dit was het eerste geval waarin de Nobelprijs werd uitgereikt voor een proefschrift.
Vergelijkingen die bekend staan als de de Broglie-relaties beschrijven de dubbele golf-deeltjeskarakter van alle materie. Deze relaties stellen dat de golflengte van een deeltje omgekeerd evenredig is met zijn momentum (massa maal snelheid) en zijn frequentie evenredig is met zijn kinetische energie, die een frameafhankelijke (relatieve) waarde is. Aldus hebben deeltjes met een lage impuls, zoals elektronen bij kamertemperatuur, een de Broglie-golflengte van ongeveer 8 nanometer. Deeltjes met een nog lager momentum, zoals heliumatomen bij temperaturen van slechts een paar nano-Kelvin, kunnen materiegolven met golflengten zo lang als een paar micron hebben. Onder dergelijke ongebruikelijke omstandigheden worden de realiteiten van de kwantumwereld bijna naar een macroscale-wereld gebracht.
De Broglie's theorieën over materiegolven werden bevestigd in 1927, toen Bell Labs-wetenschappers Lester Germer en Clinton Davisson langzaam bewegende elektronen op een kristallijn nikkel-doelwit afvuurden. Het resulterende diffractiepatroon demonstreerde de golfachtige karakteristieken van de elektronen, vergelijkbaar met die waarvan bekend is dat ze worden weergegeven door fotonen zoals die in röntgenstralen. De materiegolven konden alleen in dit geval worden waargenomen omdat de elektronen die werden gebruikt om ze te produceren een zeer lage impuls hadden. Sinds 1927 is de golfachtige aard van verschillende andere elementaire deeltjes empirisch aangetoond.