À première vue, la notion de dualité onde-particule est en effet étrange. Vous avez probablement déjà entendu parler des ondes et savez qu'elles sont une perturbation dans un milieu, et vous avez probablement entendu parler des particules, qui sont des objets physiques discrets. Ainsi, l'idée que certaines choses ont des propriétés des deux peut sembler non seulement étrange, mais physiquement impossible.
Cet article vous présentera l'idée de la dualité onde-particule et donnera un aperçu de la façon dont le concept a émergé et comment cela s'avère être une excellente description de la réalité dans de nombreux cas, en particulier dans le domaine quantique la physique.
Ondes et propriétés ondulatoires
Commençons par examiner ce qui constitue une vague. Une onde est définie comme une perturbation dans un milieu qui se propage d'un endroit à un autre, transférant de l'énergie dans le processus, mais ne transférant pas de masse.
Dans le milieu à travers lequel l'onde se déplace, les molécules individuelles oscillent simplement sur place. Un bon exemple de ceci est une foule dans un stade faisant «la vague». Chaque individu se lève et s'assoit simplement, oscillant sur place, tandis que la vague elle-même parcourt tout le stade.
Les propriétés de l'onde comprennent la longueur d'onde (la distance entre les pics d'onde), la fréquence (le nombre de cycles d'onde par seconde), la période (le temps qu'il faut pour un cycle d'onde complet et la vitesse (la vitesse à laquelle la perturbation se déplace).
Propriétés des particules et nature des particules
Les particules sont des objets physiques distincts. Ils ont une position bien définie dans l'espace, et lorsqu'ils se déplacent d'un endroit à un autre, non seulement ils transfèrent de l'énergie, mais aussi leur propre masse.
Contrairement aux vagues, ils n'ont pas besoin de milieu pour se déplacer. Cela n'a pas non plus de sens de les décrire avec une longueur d'onde, une fréquence et une période. Au lieu de cela, ils sont généralement décrits par leur masse, leur position et leur vitesse.
Dualité onde-particule et rayonnement électromagnétique
Quand le phénomène de lumière a été étudiée pour la première fois, les scientifiques n'étaient pas d'accord pour savoir s'il s'agissait d'une onde ou d'une particule. La description corpusculaire de la lumière d'Isaac Newton soutenait qu'elle agissait comme une particule, et il développa des idées qui expliquait la réflexion et la réfraction dans ce cadre, bien que certaines de ses méthodes ne semblaient pas tout à fait travail.
Christiaan Huygens n'était pas d'accord avec Newton et a utilisé la théorie des ondes pour décrire la lumière. Il a pu expliquer la réflexion et la réfraction en traitant la lumière comme une onde.
La célèbre expérience à double fente de Thomas Young, qui a démontré des motifs d'interférence dans la lumière rouge associés à un comportement ondulatoire, a également soutenu la théorie des ondes.
Le débat sur la question de savoir si la lumière était une particule ou une onde a semblé se résoudre lorsque James Clerk Maxwell est entré en scène et a décrit la lumière comme des ondes électromagnétiques via ses équations de Maxwell.
Mais il est vite devenu évident que la nature ondulatoire de la lumière n'expliquait pas tous les phénomènes observés. L'effet photoélectrique, par exemple, ne pourrait s'expliquer que si la lumière était traitée comme une particule – agissant comme des photons uniques ou des quanta de lumière. Cette idée a été avancée par Albert Einstein, qui a remporté un prix Nobel pour cela.
Ainsi est née la notion de dualité onde-particule. La lumière ne pouvait être vraiment expliquée que si elle était traitée comme une onde dans certaines situations et comme une particule dans d'autres.
Dualité onde-particule et matière
C'est là que les choses deviennent encore plus étranges. Non seulement la lumière affiche cette dualité, mais il s'avère que la matière l'est aussi. Cela a été découvert par Louis de Broglie.
Cette dualité ne se voit pas du tout à l'échelle macroscopique, mais lorsqu'il s'agit de travailler avec des éléments élémentaires particules, ils semblent parfois agir comme des particules et d'autres fois comme des ondes, avec leur longueur d'onde égale à la associée longueur d'onde de Broglie.
Cette notion a conduit au développement de la mécanique quantique, qui décrit des particules avec des fonctions d'onde, qui peuvent alors être comprises en termes d'équation de Schrödinger.