Dualité onde-particule

Mécanique quantique
Dualité onde-particule
Introduction Glossaire · Histoire
Fond Notation bra-ket La mécanique classique Hamiltonien Ingérence Vieille théorie quantique
Concepts fondamentaux Complémentarité Décohérence La non-localité État quantique Superposition Tunnelling Incertitude Fonction d'onde
Expériences L'inégalité de Bell Davisson-Germer Choix retardé gomme quantique Double fente Expérience de Franck-Hertz Entre Mach-Zehnder. Elitzur-Vaidman Popper Effaceur quantique Le chat de Schrödinger Stern-Gerlach Choix retardé de Wheeler
Formulations Formulations Heisenberg Interaction mécanique matricielle Schrödinger Somme sur les histoires espace de phase
Équations Dirac Klein-Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Interprétations Interprétations (aperçu) Conscience causés Histoires cohérentes Copenhague de Broglie-Bohm Ensemble Variables cachées Beaucoup de mondes Objectif effondrement Pondichéry La logique quantique Relationnel Stochastique Transactionnelle
Sujets avancés Chaos quantique Théorie quantique des champs L'informatique quantique théorie de la diffusion La mécanique quantique fractionnaires
Les scientifiques Cloche Blackett Bogolyubov Bohm Bohr Bardeen Né Bose de Broglie Compton Tonnelier Dirac Dyson Davisson Duarte Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Hertz Heisenberg Hilbert Jordanie Klitzing Kusch Kramers von Neumann Pauli Agneau Laue Laughlin Moseley Millikan Onnes Planck Raman Rydberg Salam Schrödinger Störmer Shockley Schrieffer Shull Sommerfeld Thomson Tsui Tomonaga Weyl Quartier Wien Wigner Zeeman Zeilinger

Dans la physique et la chimie , la dualité onde-particule est le concept que toutes les matières et de l'énergie présente à la fois vague et -comme propriétés des particules ressemblant. Un concept central de la mécanique quantique , la dualité traite l'insuffisance des concepts classiques comme «particule» et «vague» en décrivant pleinement le comportement des objets. Divers interprétations de la mécanique quantique tentent d'expliquer cette apparente paradoxe.

L'idée de la dualité est enracinée dans un débat sur la nature de la lumière et de la matière datant des années 1600, lorsque les théories concurrentes de la lumière ont été proposés par Christiaan Huygens et Isaac Newton . Grâce au travail de Albert Einstein , Louis de Broglie, et bien d'autres, la théorie scientifique actuelle soutient que toutes les particules ont aussi une nature ondulatoire. Ce phénomène a été vérifié, non seulement pour les particules élémentaires, mais aussi pour les particules de composé tels que les atomes et les molécules même. En fait, selon les formulations traditionnelles de non-relativistes la mécanique quantique, la dualité onde-particule se applique à tous les objets, même macroscopiques; nous ne pouvons pas détecter les propriétés ondulatoires de la objets macroscopiques en raison de leurs petites longueurs d'onde.

Richard Feynman a souligné la nature corpusculaire de la lumière, affirmant qu'il est «très important de savoir que la lumière se comporte comme des particules, en particulier pour ceux d'entre vous qui ont été à l'école, où vous a probablement dit quelque chose sur la lumière se comporter comme des vagues."

Bref historique

L'esquisse de Thomas Young, de deux fentes diffraction des ondes, 1803.

A la fin du 19ème siècle, le cas pour théorie atomique, que la matière a été faite d'objets de particules ou atomes , a été bien établi. Electricité, la première pensée d'être un fluide, a été entendu aujourd'hui se composer de particules appelées électrons , tel que démontré par JJ Thomson qui, dirigé par ses recherches sur le travail de Ernest Rutherford , avait découvert à l'aide rayons cathodiques qu'une charge électrique serait en fait voyager dans le vide de la cathode vers l'anode. En bref, il était entendu que beaucoup de la nature a été faite de particules. Dans le même temps, les ondes sont bien comprises, ainsi que des phénomènes d'ondes tels que diffraction et interférence. Lumière a été considéré comme une vague, comme Thomas Young effets d'expérimentation à double fente et tels que Diffraction de Fraunhofer avait clairement démontré la nature ondulatoire de la lumière.

Mais comme le 20ème siècle transformée, des problèmes sont apparus. Albert Einstein l 'analyse de la effet photoélectrique en 1905 a démontré que les propriétés des particules comme possédait aussi légers, et cela a été confirmé par la découverte de la Diffusion Compton en 1923. Plus tard, le diffraction d'électrons serait prévue et confirmée expérimentalement, montrant ainsi que les électrons doivent avoir des propriétés ondulatoires, en plus de propriétés des particules.

Cette confusion sur particules contre les propriétés des ondes a finalement été résolu avec l'arrivée et l'établissement de la mécanique quantique dans la première moitié du 20e siècle, ce qui explique finalement dualité onde-particule. Il a fourni un seul cadre théorique unifié pour comprendre que toute la matière peut avoir les caractéristiques associées aux particules et des ondes, comme expliqué ci-dessous. À la fin du 20e siècle des résultats extrêmement précis ont été obtenus quantifier cette dualité, sous la forme de la Englert-Greenberger de relation de dualité.

Étapes du développement

Huygens et Newton

La théorie plus tôt complète de la lumière a été avancé par Christiaan Huygens, qui a proposé un la théorie ondulatoire de la lumière, et en particulier ont démontré comment les ondes peuvent interférer pour former un front d'onde se propageant dans une ligne droite. Cependant, la théorie avait des difficultés à d'autres questions, et fut bientôt éclipsée par Isaac Newton s ' la théorie corpusculaire de la lumière. Ce est-à-Newton a proposé que la lumière est composée de petites particules, avec lequel il pourrait facilement expliquer le phénomène de la réflexion. Avec beaucoup plus de difficulté, il pourrait aussi expliquer réfraction à travers un lentille, et la division de la lumière du soleil dans un arc en ciel par un prisme. Le point de vue de particules de Newton est allé essentiellement incontestée pendant plus d'un siècle.

Young, Fresnel, et Maxwell

Au début des années 1800, le expériences à double fente par Young et Fresnel fourni preuve de Les théories d'onde de Huygens: ces expériences ont montré que lorsque la lumière est envoyé à travers une grille, une caractéristique motif d'interférence ne est observée, très similaire à la configuration résultant de l'interférence de des vagues d'eau; la longueur d'onde de la lumière peut être calculé à partir de ces modèles. La vue d'onde n'a pas remplacé immédiatement la vue ray et particules, mais a commencé à dominer la pensée scientifique sur la lumière au milieu des années 1800, car elle pourrait expliquer les phénomènes de polarisation que les alternatives ne pouvait pas.

Maxwell , à la fin des années 1800, a expliqué la lumière comme la propagation des ondes électromagnétiques selon les équations de Maxwell . Ces équations ont été vérifiées par l'expérience et le point de vue de Huygens se sont largement acceptées.

La formule de Planck pour le rayonnement du corps noir

En 1901, Max Planck a publié une analyse qui a réussi à reproduire le observée spectre de la lumière émise par un objet incandescent. Pour ce faire, Planck a dû faire une hypothèse mathématique ad hoc de l'énergie quantifiée des oscillateurs (atomes du corps noir) qui émettent des radiations. Einstein a proposé par la suite que ce est le rayonnement électromagnétique lui-même qui est quantifiée, et non l'énergie d'atomes rayonnants.

L'explication d'Einstein de l'effet photoélectrique

L'effet photoélectrique. Photons entrants sur la gauche frappent une plaque de métal (en bas), et éjectent des électrons, représenté comme se envoler vers la droite.

En 1905, Albert Einstein a fourni une explication de la effet photoélectrique, une expérience jusqu'ici troublant que la théorie ondulatoire de la lumière semblait incapable d'expliquer. Il l'a fait en postulant l'existence des photons , quanta d'énergie lumineuse avec des qualités de particules.

Dans le effet photoélectrique, il a été observé que la lumière sur certains métaux entraînerait une courant électrique dans un circuit. Vraisemblablement, la lumière frappait électrons sur le métal, provoquant le passage du courant. Cependant, il a également été observé que même si un faible lumière bleue était suffisant pour provoquer un courant, même les plus forts, plus brillants lumière rouge causé aucun courant du tout. Selon la théorie des vagues, la force ou la l'amplitude d'une onde lumineuse était en proportion de sa luminosité: une lumière brillante aurait dû être facilement assez forte pour créer un courant important. Pourtant, curieusement, ce ne était pas ainsi.

Einstein a expliqué cette énigme par postulant que les électrons peuvent recevoir de l'énergie de champ électromagnétique que dans des portions discrètes (quanta qui ont été appelé photons ): un montant de l'énergie E qui a été liée à la fréquence f de la lumière par

où h est La constante de Planck (6,626 × 10 ^-34 J secondes). Seuls les photons d'une fréquence suffisamment élevée, (-dessus d'un certain seuil) pourraient frapper un électron libre. Par exemple, les photons de la lumière bleue avaient suffisamment d'énergie pour libérer un électron à partir du métal, mais les photons de lumière rouge ne ont pas. Lumière plus intense au-dessus du seuil de fréquence pourrait libérer plusieurs électrons, mais aucune quantité de lumière en dessous de la fréquence de seuil pourrait libérer un électron.

Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921 pour sa théorie de l'effet photoélectrique.

L'hypothèse de De Broglie

En 1924, Louis-Victor de Broglie a formulé la hypothèse de Broglie, affirmant que toute la matière, et pas seulement la lumière, a une nature ondulatoire; il raconta longueur d'onde (notée λ) et dynamique (notée p):

Ce est une généralisation de l'équation d'Einstein ci-dessus, puisque l'élan d'un photon est donnée par p = et la longueur d'onde de λ = , Où c est la vitesse de la lumière dans le vide.

La formule de De Broglie a été confirmé trois ans plus tard pour les électrons (qui diffèrent de photons à avoir une masse au repos) à l'observation de diffraction d'électrons dans deux expériences indépendantes. Au Université d'Aberdeen, George Paget Thomson a adopté un faisceau d'électrons à travers un film métallique mince et a observé les motifs d'interférence prévus. À Bell Labs Clinton Joseph Davisson et Lester Halbert Germer leur faisceau guidé à travers une grille cristalline.

De Broglie a reçu le prix Nobel de physique en 1929 pour son hypothèse. Thomson et Davisson partagé le prix Nobel de physique en 1937 pour leur travail expérimental.

Le principe d'incertitude de Heisenberg

Dans son ouvrage sur la formulation de la mécanique quantique, Werner Heisenberg postulé son principe d'incertitude, qui stipule:

où

indique ici écart-type , une mesure de propagation ou de l'incertitude;

x et p sont la position d'une particule et la quantité de mouvement respectivement.

est le réduite constante (la constante de Planck de Planck divisée par deux ).

Heisenberg a expliqué l'origine, comme une conséquence du processus de mesure: Position de mesure précise perturberait élan et vice-versa, offrant un exemple (le «microscope à rayons gamma") qui dépendait essentiellement de l'hypothèse de Broglie. On comprend maintenant, cependant, que ceci explique que partiellement ce phénomène: l'incertitude existe également dans la particule elle-même, avant même que la mesure est effectuée.

En fait, la définition moderne du principe d'incertitude, se étendant le Interprétation de Copenhague la première fois par Bohr et Heisenberg, dépend encore plus au centre de la nature ondulatoire d'une particule: Tout comme il est absurde de discuter de l'emplacement précis d'une vague sur une corde, les particules ne ont pas des positions parfaitement précis; de même, tout comme il est absurde de discuter de la longueur d'onde d'une onde "impulsion" en descendant une chaîne, les particules ne ont pas parfaitement moments précis (ce qui correspond à l'inverse de longueur d'onde). En outre, lorsque la position est relativement bien défini, la vague est impulsionnelle et a une longueur d'onde très mal défini (et donc dynamique). Et inversement, lorsque l'élan (et donc la longueur d'onde) est relativement bien définies, la vague semble long et sinusoïdale, et donc il a une position très mal défini.

De Broglie lui-même avait proposé une onde pilote construire pour expliquer la dualité onde-particule observée. Dans cette perspective, chaque particule a une position bien définie et l'élan, mais est guidé par une fonction d'onde provenant de L'équation de Schrödinger. La théorie de l'onde pilote a été rejetée parce qu'il a généré des effets non-locaux lorsqu'il est appliqué à des systèmes impliquant plus d'une particule. La non-localité, cependant, est très rapidement imposé comme une caractéristique intégrante de la théorie quantique (voir Paradoxe EPR), et David Bohm étendu le modèle de de Broglie à inclure explicitement. En mécanique Bohm, la dualité onde-particule ne est pas une propriété de la matière elle-même, mais une apparence généré par le mouvement de l'objet de la particule à une équation de guidage ou potentiel quantique.

le comportement des vagues de grands objets

Depuis les manifestations de propriétés ondulatoires de photons et électrons , des expériences similaires ont été menées avec des neutrons et protons . Parmi les expériences les plus célèbres sont celles de Estermann et Otto Stern en 1929. Les auteurs de récentes expériences similaires avec des atomes et des molécules, décrites ci-dessous, revendication que ces particules plus grosses agissent également comme des vagues.

Une série dramatique d'expériences mettant l'accent sur l'action de la gravité par rapport à la dualité onde-particule ont été menées dans les années 1970 en utilisant le neutron interféromètre. Les neutrons, l'un des composants du noyau atomique , fournissent la majeure partie de la masse d'un noyau et donc de la matière ordinaire. Dans l'interféromètre de neutrons, ils agissent comme des ondes directement soumis à la force de gravité mécanique quantique. Bien que les résultats ne étaient pas surprenants puisque la gravité a été connu pour agir sur tout, y compris la lumière (voir des tests de la relativité générale et la Pound-Rebka tomber de l'expérience de photons), l'auto-interférence de l'onde mécanique quantique d'un fermion massive dans un champ gravitationnel ne avait jamais été confirmée expérimentalement avant.

En 1999, la diffraction de la C ₆₀ fullerènes par des chercheurs de la Université de Vienne a été signalé. Les fullerènes sont relativement grandes et massives objets, ayant une masse atomique d'environ 720 u. La longueur d'onde de Broglie est de 2,5 h, tandis que le diamètre de la molécule est d'environ 1 nm, environ 400 fois plus grande. En 2005, ce est le plus grand objet pour lequel les propriétés des ondes comme la mécanique quantique ont été directement observée en champ lointain diffraction.

En 2003, le groupe de Vienne a également démontré la nature ondulatoire de la tétraphénylporphyrine - un biodye plat avec une extension d'environ 2 nm et une masse de 614 u. Pour cette démonstration, ils ont utilisé un champ proche Interféromètre Talbot Lau. Dans le même interféromètre ils ont également trouvé des franges d'interférence pour C ₆₀ F _48., une fluoré buckyball avec une masse d'environ 1600 u, composées de 108 atomes grosses molécules sont déjà si complexe qui ils donnent accès expérimental à certains aspects de l'interface quantique-classique, ce est à dire à certains mécanismes de décohérence.

Si les objets plus lourd que le Masse de Planck (environ le poids d'un grand bactérie) ont une longueur d'onde de Broglie est théoriquement et expérimentalement sait pas inaccessible; dessus de la masse d'une particule de Planck Compton longueur d'onde serait plus petit que le Longueur de Planck et sa propre Rayon de Schwarzschild, une échelle à laquelle les théories actuelles de la physique peuvent tomber en panne ou besoin d'être remplacé par d'autres plus généraux.

Traitement en mécanique quantique moderne

Dualité onde-particule est profondément ancrée dans les fondements de la mécanique quantique , si bien que les praticiens modernes discutent rarement comme telle. Dans le formalisme de la théorie, tous les détails de la particule est codé dans sa fonction d'onde, une fonction complexe à peu près analogue à l'amplitude d'une vague à chaque point de l'espace. Cette fonction évolue selon une équation différentielle (génériquement appelé Équation de Schrödinger), et cette équation donne lieu à onde comme des phénomènes tels que l'interférence et la diffraction.

Le comportement des particules en forme est la plus évidente en raison de phénomènes associés à mesure en mécanique quantique. À mesure de l'emplacement de la particule, la fonction d'onde de façon aléatoire " effondrer "à une fonction fortement pointu à un endroit, à la probabilité d'un endroit particulier égale à l'amplitude au carré de la fonction d'onde là-bas. La mesure sera de retour une position bien définie, une propriété traditionnellement associé aux particules.

Bien que cette image est quelque peu simplifié (le non-relativiste cas), ce est suffisant pour capturer l'essence de la pensée actuelle sur les phénomènes historiquement appelés "dualité onde-particule". (Voir aussi: Formulation mathématique de la mécanique quantique.)

Vues alternatifs

vue particules seule

Le modèle onde-pilote, initialement développé par Louis de Broglie et développé par David Bohm propose qu'il n'y a pas de dualité, mais plutôt particules sont guidées par une vague pilote qui les dirige vers les zones d'interférence constructive. Cette idée est soutenue comme une émanation de déterminisme et est détenu par une minorité significative au sein de la communauté des physiciens.

Au moins un physicien considère la «vague-dualité" un abus de langage, comme L. Ballentine, la mécanique quantique, un développement moderne, p.4, explique:

Lors de la première découverte, la diffraction de particules était une source de grande perplexité. "Particules" "vagues" sont vraiment? Dans les premières expériences, les diagrammes de diffraction ont été détectés de manière globale par l'intermédiaire d'une plaque photographique, qui peut ne pas détecter des particules individuelles. En conséquence, la notion augmenté que les propriétés des particules et vagues sont incompatibles entre elles, ou complémentaires, en ce sens que les différents appareils de mesure seraient nécessaires pour les observer. Cette idée, cependant, ne était qu'une généralisation malheureuse d'une limitation technologique. Aujourd'hui il est possible de détecter l'arrivée des électrons individuels, et pour voir le diagramme de diffraction émerger comme un modèle statistique constitué de nombreuses petites taches (Tonomura et al., 1989). Évidemment, les particules quantiques sont en effet des particules, mais dont le comportement est très différent de la physique classique nous aurait se attendre.

Éminent physicien Richard Feynman a écrit:

Je tiens à souligner que la lumière vient sous cette forme-particules. Il est très important de savoir que la lumière se comporte comme des particules, en particulier pour ceux d'entre vous qui ont été à l'école, où vous a probablement dit quelque chose sur la lumière se comporter comme des vagues. Je vous le dis comme il le fait les particules se comportent-comme.

Wave-seule vue

Au moins un scientifique propose que la dualité peut être remplacé par une «vague-seulement" vue. Électrodynamique collectives de Carver Mead: les fondations quantiques de Electromagnétisme (2000) analyse le comportement des électrons et des photons purement en termes de fonctions d'onde des électrons, et les attributs du comportement des particules comme apparente à la quantification des effets et des états propres. Selon David examinateur Haddon:

Mead a trancher le nœud gordien de la complémentarité quantique. Il affirme que les atomes, avec leurs neutrons, protons et d'électrons, des particules ne sont pas du tout, mais ondes pures de la matière. Mead cite comme la preuve brut de la exclusivement vague nature de la lumière et la matière la découverte entre 1933 et 1996 de dix exemples de phénomènes d'ondes pures, y compris le laser omniprésent de lecteurs de CD, les courants électriques auto-propagation des supraconducteurs et le Bose -Einstein atomes de condensat.

Applications

Même se il est difficile de tracer une ligne de séparation entre la dualité onde-particule du reste de la mécanique quantique, il est néanmoins possible d'énumérer certaines applications de cette idée de base.

• Dualité onde-particule est exploitée dans microscopie électronique, où les petites longueurs d'ondes associées à l'électron peut être utilisé pour afficher des objets beaucoup plus petits que ce qui est visible en lumière visible.

• De même, utilise la diffraction des neutrons des neutrons avec une longueur d'onde d'environ un ångström, l'espacement typique des atomes dans un solide, de déterminer la structure des solides.