נקודות שיוצרות פסים
מערך הניסוי שבסצנה הוא ניסוי מסוג שנעשה באמת. תותח אלקטרונים בקצה אחד פולט אלקטרונים מחוט לוהט ומאיץ אותם במתח של כמה מאות וולטים. הם עפים דרך רדיד זהב דק שנחרצו בו שני סדקים צרים, ופוגעים במסך מצופה בחומר נהורני, שזוהר בכל מקום שבו נוחת אלקטרון. האלקטרונים נשלחים בקצב איטי כל כך, שבכל רגע נמצא במערך רק אחד מהם.
כל אלקטרון מגיע שלם. הוא יוצר נקודה קטנה אחת, במקום אחד, כפי שהיה עושה חלקיק זעיר. שום דבר בנקודה הראשונה, או בעשר הראשונות, לא נראה כמו תבנית. אי אפשר לדעת מראש איפה תנחת הנקודה הבאה.
המשיכו לשלוח אותם, ומשהו מוזר מופיע. הנקודות מצטופפות בחלק מהפסים האנכיים של המסך ונמנעות מאחרים. אחרי כמה אלפי אלקטרונים המסך מראה פסים בהירים וכהים ברורים, אותה תבנית ששתי קבוצות של אדוות יוצרות כשהן נחצות בבריכה. התבנית הזאת נקראת התאבכות, ורק גלים יוצרים אותה.
נסו: הורידו את אלקטרונים שנשלחו ל־1, ואז העלו אותו דרך 10, 200 ו־6,000. צפו איך הפסים עולים מתוך מה שנראה בהתחלה כמו רעש מפוזר.
גל לכל חלקיק
ב־1924 הציע לואי דה ברויי שלכל חלקיק בתנועה יש גל, שאורך הגל שלו נקבע לפי התנע שלו, (המסה שלו כפול המהירות שלו):
כאן הוא קבוע פלאנק, 6.63 × 10⁻³⁴ ג’ול־שנייה, מספר קטן מאוד. אלקטרון שיוצא מתותח של 250 וולט נע במהירות של כ־9,400 קילומטרים בשנייה, ואורך הגל שלו הוא 0.078 ננומטר, קטן מאטום. בתוך שנים ספורות החזירו קלינטון דייוויסון ולסטר גרמר בארצות הברית אלקטרונים מגביש, ג’ורג’ פאג’ט תומסון בבריטניה העביר אותם דרך רדיד מתכת דק, ושני הצוותים ראו אותם מתפזרים בדיוק כפי שגלים באורך הזה היו מתפזרים.
הגל הוא מה שעובר דרך הסדקים. חלק ממנו עובר דרך כל אחד מהם, ובצד השני שני החלקים מתפשטים וחופפים. במקום ששיא מסדק אחד פוגש שיא מהסדק השני, הם מצטרפים זה לזה. במקום ששיא פוגש שפל, הם מבטלים זה את זה. הגל לא נושא את המטען או את המסה של האלקטרון כשהם מרוחים על פני המסך. הוא קובע את הסיכוי למצוא את האלקטרון בכל מקום: גבוה במקום שבו הגל חזק, ואפס במקום ששני החלקים מבטלים זה את זה. כל אלקטרון עדיין נוחת בנקודה אחת, שנבחרת באקראי, אבל הנקודות הולכות לפי התבנית של הגל.
נסו: בחרו גל תחת בניית התבנית. היריעה מראה שיאים ושפלים שיוצאים משני הסדקים, עם קווים כהים במקומות שבהם הם מבטלים זה את זה. עקבו אחרי קו כהה עד המסך: הנקודות מתדללות בדיוק במקום שבו הוא מגיע אליו, והעקומה הכחולה, הסיכוי לפגיעה, יורדת לאפס.
המרווח בין הפסים תלוי באורך הגל. הורידו את מתח התותח ל־100 V: לאלקטרונים איטיים יותר יש פחות תנע וגלים ארוכים יותר, ולכן הפסים מתרחקים זה מזה. העלו אותו ל־600 V, והפסים מצטופפים. הכיתוב על ספק המתח של התותח מראה את אורך הגל בכל שלב.
צופים בסדקים
אם כל אלקטרון הוא חלקיק אחד, הוא בוודאי עובר דרך סדק אחד או דרך השני. כדי לבדוק, הציבו מנורה ממש מאחורי הרדיד. אור שמוחזר מאלקטרון חולף מראה מאיזה סדק הוא הגיע.
עכשיו כל אלקטרון נתפס בסדק אחד, אף פעם לא בשניהם. והפסים נעלמים. הנקודות נערמות בפס חלק אחד, התבנית שמתקבלת מחיבור מה שכל סדק נותן לבדו. רישום הדרך שבה עבר האלקטרון הרס את ההתאבכות.
נסו: הפעילו את צפייה בסדקים עם 6,000 אלקטרונים. אחר כך בחרו גל תחת בניית התבנית: עכשיו רק הסדק שבו נתפס האלקטרון שולח גל הלאה.
אין לזה קשר לאדם שמסתכל. כל אינטראקציה שמשאירה רישום של הסדק שדרכו עבר האלקטרון, גם רישום שאף אחד לא קורא לעולם, עושה אותו דבר. האלקטרון מתנהג כגל או כחלקיק לפי מה שהניסוי בנוי למדוד, ושום ניסוי יחיד לא מראה את שני הצדדים בבת אחת. נילס בוהר קרא לזה עקרון המשלימות.
לא רק אלקטרונים
האור היה הראשון. תומאס יאנג ראה אור יוצר פסי התאבכות משני סדקים בסביבות שנת 1801, ובמשך מאה שנה האור היה גל. ואז, ב־1905, הסביר אלברט איינשטיין למה אור משחרר אלקטרונים ממתכת באופן שתלוי בצבע שלו ולא בבהירות שלו: האור מגיע במנות של אנרגיה, שנקראות היום פוטונים. כשהאור עמום מספיק, גם ניסוי שני סדקים באור בונה את הפסים שלו נקודה אחר נקודה.
קלאוס יונסון היה הראשון ששלח אלקטרונים דרך שני סדקים אמיתיים, ב־1961, והתבנית נבנתה אלקטרון אחר אלקטרון בבולוניה ב־1974 ובחברת היטאצ’י ביפן ב־1989. מאז הראו התאבכות גם נייטרונים, אטומים שלמים ומולקולות גדולות כמו פחמן־60, שצורתו כצורת כדורגל.
מיקרוסקופי אלקטרונים מנצלים את אורך הגל הקצר של אלקטרונים מהירים כדי לראות פרטים קטנים בהרבה ממה שאור יכול להראות. גם לחפצים יומיומיים יש גלים, אבל הם קצרים עד אבסורד: לכדור קריקט שנזרק במהירות של 30 מטרים בשנייה יש אורך גל של כ־10⁻³⁴ מטר, קטן מדי בהרבה מכדי שסדק כלשהו יחשוף אותו.
מה המודל משאיר בחוץ
הסצנה מצוירת רחוק מאוד מקנה המידה האמיתי. סדקים אמיתיים לאלקטרונים מרוחקים זה מזה פחות ממיקרומטר, ואת הפסים שהם יוצרים צריך להגדיל כדי לראות אותם, ולכן כאן הסדקים, המסך והגל חולקים קנה מידה מומצא אחד, ואורך הגל מצויר ארוך פי ארבעה מיליארד בערך מזה של אלקטרון. מקומות הנחיתה של האלקטרונים מחושבים במדויק עבור המערך המצויר הזה, בחיבור של גלים מכל נקודה בשני הסדקים, כך שהנקודות, העקומה ויריעת הגל מתאימות זו לזו, אבל לא לשום מעבדה מסוימת.
המערך עומד באוויר הפתוח; מערך אמיתי נמצא בריק, אחרת האלקטרונים היו פוגעים במולקולות של אוויר. הגל מחושב במישור השטוח של האלומה, ולכן הנקודות פשוט מפוזרות למעלה ולמטה על המסך, לגובה הסדקים. לכל האלקטרונים יש בדיוק אותה מהירות, והמנורה תופסת כל אלקטרון בצורה מושלמת, דבר שגלאים אמיתיים רק מתקרבים אליו. האלקטרון הנע שעף לאורך המערך משחזר את הפגיעות אחת אחת, לשם הבהירות. שום דבר בו לא מראה את המסלול שעבר אלקטרון שאיש לא צפה בו, כי הפיזיקה הקוונטית לא נותנת לו מסלול כזה.