La dualité des particules d'onde et son fonctionnement

Le principe de dualité onde-particule de la physique quantique soutient que la matière et la lumière présentent les comportements des ondes et des particules, selon les circonstances de l'expérience. C'est un sujet complexe mais parmi les plus intrigants en physique.

Dans les années 1600, Christiaan Huygens et Isaac Newton ont proposé des théories concurrentes pour le comportement de la lumière. Huygens a proposé une théorie ondulatoire de la lumière tandis que celle de Newton était une théorie "corpusculaire" (des particules) de la lumière. La théorie de Huygens avait quelques problèmes pour faire correspondre l'observation et le prestige de Newton l'aidait à soutenir sa théorie. Ainsi, pendant plus d'un siècle, la théorie de Newton a été dominante.

Au début du XIXe siècle, des complications ont surgi pour la théorie corpusculaire de la lumière. Diffraction avait été observé, d’une part, qu’il avait du mal à expliquer de manière adéquate. L'expérience de la double fente de Thomas Young

Une vague doit généralement se propager à travers un support quelconque. Le support proposé par Huygens avait été éther lumineux (ou dans une terminologie moderne plus courante, éther). Quand James Clerk Maxwell quantifié un ensemble d'équations (appelé Les lois de Maxwell ou Équations de Maxwell) expliquer un rayonnement électromagnétique (comprenant lumière visible) comme propagation des ondes, il a supposé un éther tel que le milieu de propagation, et ses prédictions étaient cohérentes avec les résultats expérimentaux.

Le problème avec la théorie des vagues était qu'aucun éther de ce genre n'avait jamais été trouvé. Non seulement cela, mais les observations astronomiques en aberration stellaire par James Bradley en 1720 avaient indiqué que l'éther devrait être stationnaire par rapport à une Terre en mouvement. Tout au long des années 1800, des tentatives ont été faites pour détecter directement l'éther ou son mouvement, aboutissant au célèbre Expérience de Michelson-Morley. Ils n'ont pas tous réussi à détecter l'éther, ce qui a provoqué un énorme débat au début du XXe siècle. La lumière était-elle une onde ou une particule?

En 1905, Albert Einstein publié son article pour expliquer la effet photoélectrique, qui proposait que la lumière voyageait sous forme de faisceaux d'énergie distincts. L'énergie contenue dans un photon était liée à la fréquence de la lumière. Cette théorie est connue sous le nom de théorie des photons de lumière (bien que le mot photon n'ait été inventé que des années plus tard).

Avec les photons, l'éther n'était plus essentiel comme moyen de propagation, même s'il laissait encore l'étrange paradoxe de la raison pour laquelle le comportement des vagues était observé. Les variations quantiques de l'expérience à double fente et la Effet Compton ce qui semble confirmer l'interprétation des particules.

Au fur et à mesure des expériences et des preuves accumulées, les implications sont rapidement devenues claires et alarmantes:

La lumière fonctionne à la fois comme une particule et une onde, selon la façon dont l'expérience est menée et le moment où les observations sont faites.

La question de savoir si une telle dualité s'est également manifestée dans la matière a été abordée hypothèse de Broglie, qui a étendu les travaux d'Einstein pour relier la longueur d'onde observée de la matière à son élan. Des expériences ont confirmé l'hypothèse en 1927, aboutissant à un prix Nobel 1929 pour de Broglie.

Tout comme la lumière, il semble que la matière présente à la fois des propriétés ondulatoires et des particules dans les bonnes circonstances. De toute évidence, les objets massifs présentent de très petites longueurs d'onde, si petites en fait qu'il est plutôt inutile de les penser de manière ondulatoire. Mais pour les petits objets, la longueur d'onde peut être observable et significative, comme en témoigne l'expérience à double fente avec des électrons.

La signification majeure de la dualité onde-particule est que tout comportement de la lumière et de la matière peut être expliqué par l'utilisation d'une équation différentielle qui représente une fonction d'onde, généralement sous la forme du Équation de Schrodinger. Cette capacité à décrire la réalité sous forme d'ondes est au cœur de la mécanique quantique.

L'interprétation la plus courante est que la fonction d'onde représente la probabilité de trouver une particule donnée à un point donné. Ces équations de probabilité peuvent diffracter, interférer et présenter d'autres propriétés de type onde, résultant en une fonction d'onde probabiliste finale qui présente également ces propriétés. Les particules finissent par être distribuées selon les lois de probabilité et présentent donc la propriétés des vagues. En d'autres termes, la probabilité qu'une particule se trouve à n'importe quel endroit est une onde, mais l'apparence physique réelle de cette particule ne l'est pas.

Alors que les mathématiques, bien que compliquées, font des prédictions précises, la signification physique de ces équations est beaucoup plus difficile à saisir. La tentative d'expliquer ce que la dualité onde-particule "signifie réellement" est un point clé du débat en physique quantique. De nombreuses interprétations existent pour tenter d'expliquer cela, mais elles sont toutes liées par le même ensemble d'équations d'onde... et, finalement, doit expliquer les mêmes observations expérimentales.

Édité par Anne Marie Helmenstine, Ph. D.