Niet alleen bij atoommodellen schoot de klassieke mechanica tekort, ook het gedrag van licht bleek onverklaarbaar te zijn vanuit de Newtoniaanse mechanica. Er was dus niet zomaar een klein probleem met deze theorieën en modellen. De hele manier waarop beweging en licht geïnterpreteerd werd, moest worden herzien. Er was een compleet nieuw model nodig om deze fenomenen accurater mee te beschrijven zodat de theorie opnieuw in overeenstemming zou zijn met wat we kunnen observeren.

In de 17e eeuw beschreef Newton licht als een stroom van partikels, een beetje zoals een reeks kogels die uit een pistool wordt geschoten. In de 19e eeuw toonden Thomas Young en collega's aan dat het Newtoniaanse model om licht voor te stellen als partikels niet overeenstemde met observatie. Dat toonden ze aan via het bekende double-slit experiment. Dit experiment liet zien dat licht een interferentiepatroon vertoonde, vergelijkbaar met het interferentiepatroon van botsende golven zoals bij water. Op basis van deze resultaten interpreteerde Young licht dus als een golf.

Aan het einde van de 19e eeuw lieten verdere experimenten nog meer zien. In één zo’n experiment liet men ultraviolet licht op een negatief geladen metaal schijnen. Als gevolg daarvan verloor het metaal zijn negatieve lading. Men voerde hetzelfde experiment uit met zichtbaar licht. Maar wanneer zichtbaar licht op een negatief geladen metaal geschenen werd, verloor het metaal zijn negatieve lading niet. Deze resultaten brachten verwarring teweeg onder de fysici. Een hele tijd lang kon men hier geen logische verklaring voor vinden.

Uiteindelijk was het Einstein die een voldoeninggevend antwoord bedacht. Dat deed hij in hetzelfde jaar dat zijn relativiteitstheorie werd uitgegeven, in 1905. Einstein stelde dat het de energie van het licht was die de negatief geladen elektronen uit het metaal sloeg waardoor deze zijn lading verloor. Lichtenergie werd volgens Einstein geconcentreerd in bundels van energie, iets wat we nu fotonen noemen. Volgens Einstein hadden de ultravioletfotonen meer energie dan de fotonen van voor ons zichtbaar licht.

Het aantal fotonen speelt daarbij geen rol, het gaat om de energiewaarde van de fotonen. Hoe veel zichtbaar licht er ook tegen het metaal werd gevuurd, de fotonen van zichtbaar licht hadden nooit voldoende energie om de elektronen van het metaal af te kunnen slaan. Vandaar dat zij geen effect hadden op de elektrische lading van het metaal. De energiewaarde van ultravioletfotonen ligt hoger dan die van voor ons zichtbaar licht. Daardoor kunnen zij de negatief geladen elektronen wel uit het metaal slaan waardoor het metaal zijn elektrische lading verliest. 

Natuurlijk, als fotonen elektronen kunnen afslaan van een metaal, houdt dat in dat ze zich als partikels gedragen. Maar het dubbel-split experiment had net aangetoond dat licht een interferentiepatroon had en zich dus als een golf gedroeg...

Hoe moesten fysici licht nu interpreteren, als een golf, of als een partikel? Het leek zich als beide te gedragen. Een tijd lang bleef er onduidelijkheid bestaan over de aard van licht. Die onduidelijkheid wordt uitgedrukt wanneer men het heeft over het zogenaamde golf-deeltje karakter van licht of de 'dualiteit' van golven en deeltjes.

Pas later kwam er apparatuur beschikbaar die zo gevoelig was dat het één enkele foton kon registreren: de fotomultiplicator. De experimenten werden opnieuw gedaan en de golftheorie werd voor een kritieke test geplaatst. Als het golfmodel juist was, zou het tikken van de fotomultiplier steeds zachter moeten worden. Maar dat deed het niet. Het geluid van de tikken bleef even sterk. Het aantal tikken, en dus het aantal fotonen verminderde echter wel. Dat is wat je van partikels zou verwachten. De golventheorie werd dus gefalsifieerd. Daarom stelt de moderne natuurkunde dat licht bestaat uit deeltjes, en die deeltjes noemen wij fotonen.

Licht is dus geen golf. Het zijn ook geen zogenaamde ‘golfdeeltjes’, maar deeltjes. Dat de deeltjes zich niet gedragen zoals vanuit de klassieke mechanica werd verwacht, is weer een andere zaak. 

Elektronen, net als fotonen zijn partikels en dus deeltjes. Maar als ze worden afgeschoten in het double-slit experiment vertonen ze een interferentiepatroon. In het geval van water kunnen we de beweging van het water uitdrukken door middel van een golfvergelijking.

Elektronen vertonen net als water een interferentiepatroon als resultaat. Dit resultaat kan eveneens uitgedrukt worden door middel van een golfvergelijking. Deze vergelijking drukt in het geval van elektronen echter niet de beweging van de elektronen uit, aangezien elektronen geen golven zijn maar deeltjes. Wat de golfvergelijking in dit geval uitdrukt en wat door middel van de kwantummechanica berekend kan worden, is dus niet de exacte beweging van de elektronen, maar de waarschijnlijkheid van de locatie waar de deeltjes uiteindelijk terecht zullen komen. Zijnde het interferentiepatroon. 

Vervolgens werd een experiment opgesteld om na te gaan door welk gat de elektronen zich bewogen. Om de elektronen te kunnen detecteren werd licht op hen geschenen op het moment dat ze door een gat waren gegaan. Dit experiment liet echter een merkwaardig resultaat zien. Want wanneer de elektronen werden geobserveerd, toonden ze niet langer een interferentiepatroon als resultaat. Ze gedroegen zich nu op dezelfde manier als bijvoorbeeld kogels, en lieten een ‘normaal’ patroon zien.

Dit merkwaardige resultaat had uiteraard een verklaring nodig. Want hoe is het mogelijk dat elektronen een interferentiepatroon laten zien als we ze hun gang laten gaan, maar ze een normaal patroon vertonen wanneer ze geobserveerd worden?

De verklaring is als volgt: elektronen zijn heel kleine deeltjes. Om hen waar te nemen, moeten we lichtdeeltjes op hen afschieten. Lichtdeeltjes of fotonen hebben een bepaalde energiewaarde. Wanneer de fotonen tegen de elektronen botsen wat ons in staat stelt om hen te observeren, worden ze uit hun koers geslagen. De interactie van fotonen op elektronen zorgt er dan voor dat ze een normaal patroon laten zien. Wanneer we geen fotonen afvuren op de elektronen, hebben we geen manier om na te gaan waar de deeltjes zich bevinden en welk parcours ze afleggen. Ze kunnen dus eender waar zijn en zich op eender welke manier voortbewegen. Het enige wat we kunnen voorspellen en berekenen is dan de waarschijnlijkheid waar ze terecht zullen komen. Deze beperkingen zijn geen 'falen' van de wetenschap maar een intrinsieke eigenschap van onze natuur. Lees QED van Richard Feynman als je hier het fijne van wil weten, maar wees niet teleurgesteld als je het niet kan begrijpen, want dat is iets wat Feynman zelf ook niet deed.