Qu'est-ce que la dualité onde-particule ? C'est une caractéristique des photons et autres particules subatomiques qui se comportent comme des ondes dans certaines conditions et comme des particules dans d'autres.
La dualité onde-particule de la matière et de la lumière est une partie importante de la mécanique quantique, car elle démontre le mieux le fait que des concepts tels que "ondes" et "particules", qui fonctionnent bien en mécanique classique, ne suffisent pas à explications du comportement de certains objets quantiques.
La double nature de la lumière a été reconnue en physique après 1905, lorsqu'Albert Einstein a décrit le comportement de la lumière à l'aide de photons, qui ont été décrits comme des particules. Ensuite, Einstein a publié la moins célèbre relativité restreinte, qui décrivait la lumière comme un comportement ondulatoire.
Particules présentant un double comportement
Mieux encore, le principe de la dualité onde-particuleobservé dans le comportement des photons. Ce sont les objets les plus légers et les plus petits présentant un double comportement. Parmi les objets plus gros, tels que les particules élémentaires, les atomes et même les molécules, des éléments de dualité onde-particule peuvent également être observés, mais les objets plus gros se comportent comme des ondes extrêmement courtes, ils sont donc très difficiles à observer. Habituellement, les concepts utilisés en mécanique classique suffisent à décrire le comportement de particules plus grosses ou macroscopiques.
Preuve de la dualité onde-particule
Les gens réfléchissent à la nature de la lumière et de la matière depuis des siècles, voire des millénaires. Jusqu'à relativement récemment, les physiciens croyaient que les caractéristiques de la lumière et de la matière devaient être sans ambiguïté: la lumière peut être soit un flux de particules, soit une onde, tout comme la matière, soit constituée de particules individuelles qui obéissent complètement aux lois de la mécanique newtonienne, soit être un milieu continu et inséparable.
Au départ, à l'époque moderne, la théorie sur le comportement de la lumière en tant que flux de particules individuelles, c'est-à-dire la théorie corpusculaire, était populaire. Newton lui-même y a adhéré. Cependant, des physiciens ultérieurs tels que Huygens, Fresnel et Maxwell ont conclu que la lumière est une onde. Ils ont expliqué le comportement de la lumière par l'oscillation du champ électromagnétique, et l'interaction de la lumière et de la matière dans ce cas relevait de l'explication de la théorie classique des champs.
Cependant, au début du XXe siècle, les physiciens ont été confrontés au fait que ni la première ni la seconde explication ne pouvaientcouvrir complètement le domaine du comportement de la lumière dans diverses conditions et interactions.
Depuis, de nombreuses expériences ont prouvé la dualité du comportement de certaines particules. Cependant, l'apparition et l'acceptation de la dualité onde-particule des propriétés des objets quantiques ont été particulièrement influencées par les premières expériences, qui ont mis fin au débat sur la nature du comportement de la lumière.
Effet photoélectrique: la lumière est composée de particules
L'effet photoélectrique, également appelé effet photoélectrique, est le processus d'interaction de la lumière (ou de tout autre rayonnement électromagnétique) avec la matière, à la suite duquel l'énergie des particules de lumière est transférée aux particules de matière. Lors de l'étude de l'effet photoélectrique, le comportement des photoélectrons n'a pu être expliqué par la théorie électromagnétique classique.
Heinrich Hertz a noté en 1887 que la lumière ultraviolette brillante sur les électrodes augmentait leur capacité à créer des étincelles électriques. En 1905, Einstein a expliqué l'effet photoélectrique par le fait que la lumière est absorbée et émise par certaines portions quantiques, qu'il a d'abord appelées quanta de lumière, puis les a surnommées photons.
Une expérience de Robert Milliken en 1921 a confirmé le jugement d'Einstein et a conduit au fait que ce dernier a reçu le prix Nobel pour la découverte de l'effet photoélectrique, et Millikan lui-même a reçu le prix Nobel en 1923 pour ses travaux sur les particules élémentaires et l'étude de l'effet photoélectrique.
Expérience de Davisson-Jermer: la lumière est une onde
L'expérience de Davisson - Germer confirmél'hypothèse de de Broglie sur la dualité onde-particule de la lumière et a servi de base à la formulation des lois de la mécanique quantique.
Les deux physiciens ont étudié la réflexion des électrons à partir d'un monocristal de nickel. L'installation, située dans le vide, consistait en un monocristal de nickel broyé à un certain angle. Un faisceau d'électrons monochromatiques était dirigé directement perpendiculairement au plan de coupe.
Des expériences ont montré qu'à la suite de la réflexion, les électrons sont diffusés de manière très sélective, c'est-à-dire que dans tous les faisceaux réfléchis, quels que soient les vitesses et les angles, des maxima et des minima d'intensité sont observés. Ainsi, Davisson et Germer ont confirmé expérimentalement la présence de propriétés ondulatoires dans les particules.
En 1948, le physicien soviétique V. A. Fabrikant a confirmé expérimentalement que les fonctions d'onde sont inhérentes non seulement au flux d'électrons, mais aussi à chaque électron séparément.
L'expérience de Jung avec deux fentes
L'expérience pratique de Thomas Young avec deux fentes est une démonstration que la lumière et la matière peuvent présenter les caractéristiques des ondes et des particules.
L'expérience de Jung démontre pratiquement la nature de la dualité onde-particule, malgré le fait qu'elle ait été réalisée pour la première fois au début du 19ème siècle, avant même l'avènement de la théorie du dualisme.
L'essence de l'expérience est la suivante: une source de lumière (par exemple, un faisceau laser) est dirigée vers une plaque où deux fentes parallèles sont faites. La lumière passant à travers les fentes est réfléchie sur l'écran derrière la plaque.
La nature ondulatoire de la lumière fait que les ondes lumineuses traversant les fentesmélanger, produisant des traînées claires et sombres sur l'écran, ce qui ne se produirait pas si la lumière se comportait purement comme des particules. Cependant, l'écran absorbe et réfléchit la lumière, et l'effet photoélectrique est la preuve de la nature corpusculaire de la lumière.
Qu'est-ce que la dualité onde-particule de la matière ?
La question de savoir si la matière peut se comporter dans la même dualité que la lumière, s'est posée de Broglie. Il possède une hypothèse audacieuse selon laquelle, dans certaines conditions et en fonction de l'expérience, non seulement les photons, mais aussi les électrons peuvent démontrer la dualité onde-particule. Broglie a développé son idée des ondes de probabilité non seulement des photons de lumière, mais aussi des macroparticules en 1924.
Lorsque l'hypothèse a été prouvée en utilisant l'expérience de Davisson-Germer et en répétant l'expérience de la double fente de Young (avec des électrons au lieu de photons), de Broglie a reçu le prix Nobel (1929).
Il s'avère que la matière peut aussi se comporter comme une onde classique dans les bonnes circonstances. Bien sûr, les grands objets créent des ondes si courtes qu'il est inutile de les observer, mais les objets plus petits, tels que les atomes ou même les molécules, présentent une longueur d'onde notable, ce qui est très important pour la mécanique quantique, qui est pratiquement construite sur des fonctions d'onde.
La signification de la dualité onde-particule
La signification principale du concept de dualité onde-particule est que le comportement du rayonnement électromagnétique et de la matière peut être décrit à l'aide d'une équation différentielle,qui représente la fonction d'onde. Il s'agit généralement de l'équation de Schrödinger. La capacité à décrire la réalité à l'aide de fonctions d'onde est au cœur de la mécanique quantique.
La réponse la plus courante à la question de savoir ce qu'est la dualité onde-particule est que la fonction d'onde représente la probabilité de trouver une certaine particule à un certain endroit. En d'autres termes, la probabilité qu'une particule se trouve à un emplacement prédit en fait une onde, mais son apparence physique et sa forme ne le sont pas.
Qu'est-ce que la dualité onde-particule ?
Alors que les mathématiques, quoique de manière extrêmement complexe, font des prédictions précises basées sur des équations différentielles, la signification de ces équations pour la physique quantique est beaucoup plus difficile à comprendre et à expliquer. Une tentative d'expliquer ce qu'est la dualité onde-particule est toujours au centre du débat en physique quantique.
La signification pratique de la dualité onde-particule réside également dans le fait que tout physicien doit apprendre à percevoir la réalité d'une manière très intéressante, alors que penser à presque n'importe quel objet de la manière habituelle ne suffit plus pour une perception adéquate de la réalité.
