Paul M. Sutter est astrophysicien à L’Université D’État de L’Ohio, animateur de Ask a Spaceman et Space Radio, et auteur de « Your Place in the Universe. »Sutter a contribué à cet article Space.com les voix D’experts: Op-Ed & Insights.
Est-elle une onde ou une particule? Cela semble être une question très simple. Les ondes sont des phénomènes très distincts dans notre univers, tout comme les particules., Et nous avons différents jeux de mathématiques pour décrire chacun d’eux. Donc, si nous voulons décrire l’univers entier, cela semble être un schéma de classification très pratique — sauf quand ce n’est pas le cas. et ce n’est pas dans l’un des aspects les plus importants de notre univers: le monde subatomique.
quand il s’agit de choses comme les photons et les électrons, la réponse à la question « se comportent-ils comme des ondes ou des particules? »c’est … oui.,
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deux mondes
à première vue (et même à des regards plus profonds), les ondes et les particules sont très différentes. Une particule est, du mieux que je peux dire, une chose. C’est un petit, simple, objet fini. Vous pouvez tenir une particule dans votre main. Vous pouvez jeter une particule sur quelqu’un d’autre et la regarder rebondir sur eux. Il est localisé. Vous pouvez pointer une particule et dire: « Regardez, la particule est juste là, exactement où je pointe. »
Les particules ont une impulsion et des positions., Les particules se déplaceront en lignes droites jusqu’à ce que quelque chose change de direction. Les particules peuvent rebondir sur d’autres particules et elles peuvent changer de trajectoire. Pensez aux balles ou aux voitures en excès de vitesse. Ce ne sont pas littéralement de petites particules subatomiques, mais elles agissent comme des particules lorsqu’elles frappent d’autres choses.. De nombreuses interactions physiques peuvent être décrites simplement comme des particules rebondissant les unes sur les autres.
d’autre part, les vagues sont presque totalement différents. Ils ne sont pas localisées., Si vous voulez indiquer où se trouve une vague, vous devez déplacer vos mains en faisant des gestes vagues, en disant: « tout est là-bas. »Vous ne pouvez pas tenir la vague dans votre main. Au lieu de cela, la vague passe au-dessus, autour ou même à travers votre main.
Les ondes sont des oscillations, ce qui signifie qu’elles se tortillent., Ils transportent l’énergie d’un endroit à un autre. Les vagues ne rebondissent pas vraiment, mais interfèrent plutôt les unes avec les autres. Parfois, quand les vagues se rejoignent juste, les crêtes rencontrent les crêtes, et vous obtenez des vagues doubles. Ceci est appelé « l’interférence constructive. »Mais parfois, les ondes s’annulent et vous n’obtenez rien du tout-une interaction connue sous le nom d’ « interférence destructrice ». »Les vagues peuvent tourner les Coins, et quand elles passent à travers des ouvertures étroites, elles peuvent se faner ou se diffracter. Il existe de nombreux types de vagues dans notre univers, comme les vagues de l’océan et les vagues sur un Slinky.,
Les ondes et les particules sont décrites par des ensembles d’équations mathématiques très, très différents. Donc, si vous voulez décrire quelque chose scientifiquement, vous devez d’abord décider s’il s’agit d’une onde ou d’une particule; ensuite, vous pouvez sortir les bons outils mathématiques pour faire des prédictions sur la façon dont il se comportera et agira. Et pendant quelques centaines d’années, cette ligne de pensée était une bonne approche pour résoudre tous les problèmes de physique dans le monde.
la Lumière est une onde … et une particule
Le problème avec cette approche a commencé avec la lumière elle-même., Au début des années 1800, le scientifique anglais Thomas Young a joué à quelques jeux avec la lumière en faisant briller quelques faisceaux à travers deux ouvertures étroites sur un écran derrière eux. Ce qu’il a trouvé était un motif d’interférence classique avec des rayures d’intensité variable sur l’écran. C’est exactement ce que les vagues d’eau feraient en passant par deux canaux étroits. Certaines des ondes lumineuses s’additionneraient, et certaines des ondes s’annuleraient, laissant un motif rayé sur l’écran arrière. C’est une preuve assez solide que la lumière agit comme une onde, parce que c’est exactement ce que font les ondes.,
Cette idée a été renforcée quelques décennies plus tard lorsque le physicien écossais James Clerk Maxwell a compris que l’électricité et le magnétisme étaient en fait les deux faces d’une même pièce électromagnétique et, dans le processus, a réalisé que la lumière est des ondes d’électricité et de magnétisme. Cela a donné une image concluante de ce qui fait l’ondulation quand il s’agit de la lumière: son électricité et son magnétisme. La lumière est une onde. Livre, fait.
puis, à la fin des années 1800, le physicien théoricien allemand Max Planck a jeté une clé de singe dans tout quand il a étudié le rayonnement du corps noir., Pour expliquer ses observations, il a proposé que la lumière ne puisse être émise que par petits morceaux discrets. Quelques années plus tard, Albert Einstein a jeté son poids dans la matière en étudiant l’effet photoélectrique, et a proposé que non seulement la lumière est émise en petits morceaux, mais la lumière elle-même est faite de petits paquets d’énergie appelés photons. En d’autres termes, la lumière se comportait comme une particule dans ces expériences.
ainsi, différents types d’expériences de physique révélaient différents types de propriétés de la lumière. Parfois, la lumière agissait comme une onde, et parfois, la lumière agissait comme une particule., Qui était-il? La réponse est que c’est les deux. Et ça devient encore pire.
la matière est une ondet une particule
dans les années 1920, un jeune physicien nommé Louis de Broglie a fait une suggestion radicale: puisque la lumière a de l’énergie, de l’élan et une longueur d’onde, et que la matière a de l’énergie et de l’élan, peut-être C’est quelque chose qui est facile à dire mais difficile à envelopper votre tête. Ce que cela signifie pour la question d’avoir une longueur d’onde? Ou de Broglie s’est-il horriblement trompé?
Il s’avère que de Broglie cloué., À première vue, vous vous demandez peut-être comment les électrons pourraient être autre chose que des particules, car vous pouvez littéralement les tenir dans votre main et ils rebondissent beaucoup. Lorsque vous tirez des électrons à travers deux fentes, vous vous retrouvez avec exactement le même modèle d’interférence que vous faites avec les lumières: alternant des bandes verticales de plus en moins d’électrons.
Ce qu’il se passe? Les électrons agissent comme des ondes quand ils ne ressemblent pas à des ondes. Ce qui fait la présentation?
la réponse passe par la mécanique quantique, et décrire cette réponse implique d’interpréter certaines des mathématiques profondes. L’image la plus courante, appelée interprétation de Copenhague, dit que l’onde que nous associons à la matière est une onde de probabilité représentant tous les endroits possibles où une particule pourrait être la prochaine fois que nous irons la chercher., Cette plage de probabilité est décrite par une équation qui a les mêmes os mathématiques que celle de toute autre équation d’onde. Dans cette image, c’est ce qui fait l’ondulation: les endroits possibles où la particule pourrait être.
donc, comme les électrons passent à travers les fentes dans l’expérience de De Broglie, ils ne peuvent pas exactement décider où ils veulent être. Ces vagues d’incertitude s’écrasent les unes sur les autres et interfèrent, fusionnant et s’annulant comme toutes les autres vagues. Ensuite, lorsque l’onde d’un électron frappe l’écran arrière, la particule doit finalement décider où atterrir., Lentement, électron par électron, le motif d’onde s’accumule.
tout comme la lumière, parfois question comporte comme une particule, et parfois, il se comporte comme une onde. Alors, la lumière et la matière faite d’ondes ou de particules? La réponse est les deux, en quelque sorte.
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