Dualité onde-particule: un électron est-il une particule ou une onde?

Anonim

On pensait que la lumière était une onde traversant l'espace-temps, comme une ondulation dans un étang, jusqu'en 1905, quand Einstein a montré qu'elle se comportait également comme une particule. Ce fut une révélation surprenante. Einstein avait finalement résolu un problème de physique curieux: comment une lumière incidente sur un métal éjecterait-elle des électrons de sa surface? Il réalisa que cela ne serait possible que si la lumière ne se comportait pas comme une onde mais plutôt comme des pierres rigides ou des paquets discrets de photons, comme il les appelait. La particule légère émettrait des électrons de la même manière qu'une bille blanche frappe une bille blanche. En dépit de représenter quelque chose d'aussi époustouflant qu'un voyage dans le temps, Einstein a remporté le prix Nobel pour cette découverte - pour avoir expliqué l'effet photoélectrique.

La double vie de la lumière a rendu perplexe les physiciens depuis qu’Einstein a fait sa découverte. (Crédit photo: Pexels)

Avec cette découverte, Einstein a déclenché ce que l’on appelle maintenant la dualité onde-particule. La lumière mène une double vie: elle existe sous la forme d'une onde lorsque la luminance d'une bougie circule autour d'un objet obstruant son trajet, mais elle existe également sous la forme d'une particule lorsqu'elle est tirée de la buse d'un LASER. Cependant, est-ce juste la lumière qui est dotée de cette personnalité volage? Pourquoi la nature encouragerait-elle une telle asymétrie? Ou bien la matière existe-t-elle aussi dans les rides? Telles étaient les questions posées par Louis de Broglie dans son doctorat. thèse en 1924. Qu'a-t-il conclu? Oui, la matière se comporte aussi comme une vague.

L'expérience de la double fente

Davisson et Garner ont réalisé une expérience historique montrant que lorsque des électrons sont déclenchés vers deux fentes, le motif généré sur un écran fluorescent placé devant celles-ci reproduit un motif d'interférence. Un modèle d'interférence consiste à indiquer à la froideur ce qu'est le froid. Un motif d'interférence est fondamentalement l'identité des ondes. Lorsque la lumière monochromatique (lumière d'une seule longueur d'onde) traverse deux fentes, certaines ondes se combinent, tandis que d'autres s'annulent pour former un long motif alterné de bandes claires et sombres sur un écran situé devant.

(Crédit photo: NekoJaNekoJa ~ commonswiki / Wikimedia Commons)

Cependant, si vous deviez envoyer plusieurs balles de tennis à travers les deux fentes, chaque balle de tennis passerait simplement par l’une d’elles, ne formant ainsi que deux bandes de balles de tennis à l’écran. C’est ce que vous attendez intuitivement de particules, telles que des électrons. Cependant, ce n'est pas le cas. Davisson et Garner ont montré que lorsque vous envoyez des électrons à travers les deux fentes, ils éclairent l'écran avec non seulement deux, mais un long motif alterné de bandes lumineuses et sombres d'électrons!

Hypothèse de Louis De Broglie

Il est arrivé à cette relation en assimilant les énergies des deux systèmes asymétriques qu'il croyait réellement symétriques: l'énergie de la lumière pc et l'énergie discrète d'un photon unique hf. Maintenant, c = f λ, ce qui donne la relation: p λ = h ou λ = h / p.

Maintenant, comme l'hypothèse est vraie pour un électron, elle l'est aussi pour tout ce que les électrons composent - ce qui est fondamentalement tout. Considérons un ballon de basket orange. La raison pour laquelle un ballon de basketball ne vacille pas et ne contourne pas les objets est que la longueur d'onde qui lui est associée est infinitésimale. Branchez les valeurs et voyez par vous-même. Quelle que soit sa taille ou sa rapidité, il ne peut pas surpasser la quantité dans le numérateur. La longueur d’onde d’un ballon de basket mesure l’échelle de mètres.

Le calcul de la longueur d'onde de Broglie associé à un ballon de basket de 1 kg.

L'expérience à double fente ne peut être menée que si la longueur d'onde de l'onde est comparable à la largeur des fentes. Si vous deviez reproduire le résultat de Davisson et Garner sur un ballon de basket, vous auriez besoin de fentes d'une largeur de mètres. La technologie actuelle ne le permet pas. Cependant, la longueur d'onde d'un électron se mesure à l'échelle de mètres. Cela est dû à la masse dérisoire d'un électron et à sa vitesse rapide. Le développement de fentes de cette largeur est autorisé par la technologie actuelle.

Un ballon de basket possède une longueur d’onde, mais elle est trop petite pour être perçue. Pas seulement un ballon de basket, mais aussi vous, moi et tout dans l'univers entier affiche une dualité onde / particule. La nature est, après tout, symétrique.

Le mystère de la mécanique quantique

Leur constatation dément de manière flagrante notre perception de la rigidité. Bien, je vais laisser tomber mes vues restantes, mais comment dois-je imaginer des ondulations d'électrons? Cette contradiction, cette incapacité à comprendre une onde électronique au sens traditionnel de l’onde, nous trouble profondément. Heureusement, on peut trouver du répit (ou du délire) dans le fait que ces vagues ne sont pas les rides traditionnelles que l'on trouve dans un étang, mais plutôt des vagues «probabilistes». Alors que l'on peut localiser la pierre qui cause une ondulation, on ne peut pas en dire autant d'un électron.

Pour une vague probabiliste, la pierre ne peut pas être localisée car son emplacement est incertain. On ne peut pas dire explicitement que c'est «ici» ou «là». Ce que l’on peut dire, c’est que la pierre est plus "probable" que l’on trouve ici ou là. D'une certaine manière, il est «partout», son emplacement est «distribué». Cependant - et c’est la raison pour laquelle j’ai ajouté le répit avec délire - cette notion d’ondes probabilistes implique que l’électron traverse les deux fentes en même temps!

Ce que l’on peut dire, c’est que la pierre est plus "probable" que l’on trouve ici ou là. D'une certaine manière, il est «partout», son emplacement est «distribué».

Les physiciens étaient implacables. Ils voulaient voir cette "distribution" de leurs propres yeux. Ils ont implanté des détecteurs scrupuleux qui surveilleraient un électron lors de son passage dans la fente. Ce qu'ils ont observé les a stupéfiés. Maintenant qu’ils ont observé chaque électron qui passe, l’image sur l’écran assume le modèle prédit d’une particule ou d’une balle de tennis! Le motif résultant comprend simplement deux bandes verticales remplies d'électrons. À ce stade, tout le monde a levé la main, impuissant, et s'est probablement exclamé: «Nous en avons assez.

Ce qui s’est passé est que le simple acte d’observation a modifié de manière irréversible la nature des électrons. Deux concepts expliquent ce comportement absurde, deux concepts que la culture non scientifique identifie si facilement avec les mystères du monde quantique: le principe d'incertitude de Heisenberg et le chat malheureux de Schrodinger.

Analyser la double nature des électrons, c’est comme écouter une chanson: lorsque vous avez hâte d’apprécier les paroles (emplacement), vous perdez la trace du beau piano, de la guitare douce et des bongos périodiques, des airs essentiels qui constituent son mélodie. Tandis que lorsque vous êtes déterminé à apprécier les airs, vous perdez la trace des paroles sincères. Nous ne pouvons pas prêter nos appareils à un seul aspect; nous devons parvenir à un compromis approprié pour apprécier la musique dans son ensemble.

Dans les expériences sans ces détecteurs délicats, nous sommes très incertains de la position exacte de l'électron et très certains de son énergie et donc de son élan. Dans le domaine de la mécanique quantique, le moment est assimilé à la distribution ou aux longueurs d'onde ou aux ondes, tandis que l'emplacement est assimilé à l'exactitude ou aux particules. La connaissance de la quantité de mouvement fait donc en sorte qu'un électron se comporte comme une onde. Alors que, dans les expériences avec les détecteurs, nous sommes très sûrs de la position de l'électron et incertains de son élan. Cet acte d'observation l'oblige à se comporter comme une particule. Les changements dans sa nature sont, comme mentionné, irréversibles. Le chat est à la fois mort et vivant jusqu'à ce que vous ouvriez la boîte pour la voir par vous-même. Effrayant.

En bref, en même temps, l’électron est à la fois une particule et une onde jusqu’à ce que nous mesurions l’une de ses caractéristiques déterminantes: la quantité de mouvement ou la position. Une fois que l'un ou l'autre est mesuré, sa nature est définitivement définie.

De Broglie a reçu le prix Nobel pour sa profonde découverte, dont les implications sont ensuite devenues centrales dans les intrigues de la science-fiction. Dans la réalité, les conclusions de de Broglie menacent gravement la loi de Moore, selon laquelle les transistors implantés sur un substrat semi-conducteur doivent doubler chaque année. À l'heure actuelle, dans la gamme des nanomètres, les fils pourraient éventuellement devenir comparables à la taille des électrons, ce qui permettrait à des effets quantiques intrinsèques de perturber leur fonctionnement. Les ingénieurs se demandent à quel point les fils doivent être petits avant que les électrons ne circulent autour de l'appareil comme ils le font avec les fentes autour.

Cependant, la nature ondulatoire des électrons a également ouvert la voie au développement des microscopes électroniques. Ces microscopes n'éclairent pas les échantillons avec de la lumière, mais plutôt des électrons. Les ondes d'électrons sont ensuite amplifiées par de puissants aimants, tout comme les ondes lumineuses sont amplifiées par des lentilles. Ils peuvent atteindre un grossissement de 10 000 000 fois. Cela a permis aux microbiologistes et aux chimistes d'étudier les molécules avec des détails époustouflants. Encore une fois, notre interprétation traditionnelle des vagues est confuse, comme le dit Neil deGrasse Tyson: «L’Univers n’a aucune obligation de vous donner un sens.»