Mostra la font per a Dualitat ona-partícula

En [[física]], la '''dualitat ona-partícula''' o '''dualitat ona-corpuscle''' és un principi segons el qual tots els objectes del nostre univers presenten de manera simultània propietats de les [[Ona|ones]] i de les [[Partícula elemental|partícules]]. Aquest és un concepte fonamental de la [[mecànica quàntica]]. La dualitat ona-corpuscle es fa servir en [[microscòpia electrònica]], en què la petita longitud d'ona associada a l'electró pot ser emprada per veure objectes molt menors que els observats mitjançant la [[llum]] visible.

Totes les partícules estudiades en [[mecànica quàntica]], de cadascuna de les diferents espècies, es poden considerar idèntiques entre si; totes tenen les mateixes [[propietats quàntiques]]; per tant, quan parlem d'un [[electró]], per exemple, parlem d'una partícula, amb la mateixa [[massa]], o la mateixa [[càrrega elèctrica]], que un altre [[electró]], és a dir, una [[partícula elemental]] i, per tant, no podem parlar de mig, o de tres quarts, d'[[electró]]. El mateix passa amb el [[fotó]], amb el [[neutrí]], o el [[quark]]. Fins podem dir que els [[barió|barions]], el [[nucli atòmic|nucli]] d'un [[àtom]], o el mateix [[àtom]], són [[Partícula elemental|partícules]], encara que no pas [[partícula elemental|elementals]], com les anteriors.
Per altra banda, totes les partícules esmentades, considerades individualment, es comporten com una [[ona]], que es propaga segons una [[equació de Dirac|funció d'ona]].

[[Fitxer:Dualite.jpg|miniatura|Imatge il·lustrativa de la '''dualitat ona-partícula''', en el qual es pot veure com un mateix fenomen pot tenir dues percepcions diferents]]

La '''dualitat ona-corpuscle''' va resoldre una aparent [[paradoxa]] demostrant que la [[llum]] pot tenir propietats de partícula i propietats ondulatòries. D'acord amb la [[física clàssica]], hi ha diferències entre ona i partícula. Una partícula ocupa un lloc en l'espai i té [[massa]] mentre que una ona s'estén en l'espai caracteritzant-se per tenir una velocitat definida i massa nul·la.

Que les partícules es poden comportar com a ones i viceversa és un concepte introduït per [[Louis-Victor de Broglie]], físic francès de principis del {{segle|XX}} i comprovat experimentalment en múltiples ocasions.<ref>{{ref-llibre|cognom=Pickover |nom=Clifford A. |títol=Archimedes to Hawking: laws of science and the great minds behind them |llengua=anglès|editorial=[[Oxford University Press]]|data=2008 |isbn=0195336119}}</ref> El [[1924]], en la seva tesi doctoral, va proposar l'existència d'ones de matèria, és a dir, que tota matèria tenia una ona associada a aquesta. Aquesta idea revolucionària, fundada en l'analogia amb què la [[radiació]] tenia una partícula associada, propietat ja demostrada aleshores, no va despertar gran interès, tot i l'encert dels seus plantejaments, ja que no tenia proves de produir-se. No obstant això, [[Albert Einstein|Einstein]] va reconèixer la seva importància i cinc anys després, el [[1929]], De Broglie va rebre el Nobel en Física pel seu treball.

El seu treball deia que la [[longitud d'ona]] <math>\lambda </math> de l'ona associada a la matèria era:

: <math>\lambda =\frac{h}{p}=\frac{h}{m v}</math>

en què <math> h </math> és la [[constant de Planck]] i <math> p </math> és la [[quantitat de moviment]] de la partícula de matèria.

== Història ==
En finalitzar el {{segle|XIX}}, gràcies a la [[teoria atòmica]], se sabia que tota matèria estava formada per partícules elementals anomenades ''[[àtoms]]''. L'[[electricitat]] es va pensar primer com un [[fluid]], però [[Joseph John Thomson]] va demostrar que consistia en un flux de partícules anomenades [[electró|''electrons'']], en els seus experiments amb [[raigs catòdics]]. Tots aquests descobriments van portar a la idea que una gran part de la natura estava composta per partícules. Al mateix temps, les ones eren ben enteses, juntament amb els seus fenòmens, com la [[difracció]] i la [[Interferència electromagnètica |interferència]]. Es creia, doncs, que la [[llum]] era una ona, tal com va demostrar l'[[experiment de Young]] i efectes tals com la [[difracció de Fraunhofer]].

En entrar al {{segle|XX}}, però, van aparèixer problemes amb aquest punt de vista. L'[[efecte fotoelèctric]], tal com va ser analitzat per [[Albert Einstein]] el [[1905]], va demostrar que la llum també posseïa propietats de partícules. Més endavant, la [[difracció d'electrons]] va ser predita i demostrada experimentalment, amb la qual cosa, els electrons posseïen propietats que havien estat atribuïdes tant a partícules com a ones.

Aquesta confusió que enfrontava, aparentment, les propietats de partícules i d'ones va ser resolta per l'establiment de la [[mecànica quàntica]], en la primera meitat del {{segle|XX}}. La mecànica quàntica ens serveix com a marc de treball unificat per a entendre que tota matèria pot tenir propietats d'ona i propietats de partícula. Tota partícula de la natura, sigui un [[protó]], un [[electró]], un [[àtom]] o qualsevulla que sigui, es descriu mitjançant una [[equació diferencial]], generalment, l'[[equació de Schrödinger]]. Les solucions a aquestes equacions es coneixen com a [[funció d'ona|''funcions d'ona'']], ja que són inherentment ondulatòries en la seva forma. Poden difractar i interferir, portant-nos als efectes ondulatoris ja observats. A més, les funcions d'ona s'interpreten com a descriptors de la probabilitat de trobar una partícula en un punt de l'espai donat. Vol dir això que, si es busca una partícula, se'n trobarà una amb una probabilitat donada per l'arrel quadrada de la funció d'ona.

En el món macroscòpic, no s'observen les propietats ondulatòries dels objectes perquè aquestes [[longitud d'ona|longituds d'ona]], com en les persones, són [[massa]] petites. La longitud d'ona es dona, en essència, com la inversa de la grandària de l'objecte multiplicada per la constant de Planck (h), un nombre extremadament petit.

== Huygens i Newton ==
[[Fitxer:Total internal reflection.jpg|miniatura|La [[llum]], ona i corpuscle. Dues teories diferents convergeixen gràcies a la [[física quàntica]]]]
Les primeres teories comprensibles de la llum van ser exposades per [[Christiaan Huygens]], que va proposar una [[Principi de Huygens|teoria ondulatòria]] d'aquesta, i en particular, demostrant que cada punt d'un front d'ona que avança és, de fet, el centre d'una nova pertorbació i la font d'un nou tren d'ones. Tanmateix, la seva teoria tenia debilitats en altres punts i va ser aviat enfosquida per la [[Teoria Corpuscular|teoria corpuscular]] d'[[Isaac Newton]].

Tot i que, prèviament, ''sir'' Isaac Newton havia discutit aquest prolegomen avantguardista amb [[Pierre de Fermat]], un altre reconegut físic de l'òptica en el {{segle|XVII}}, l'objectiu de la difracció de la llum no es va fer patent fins a la cèlebre reunió que tingué amb el genial [[Karl Kounichi]], creador del [[principi de primalitat i la seva màxima de seqüencialitat]], realitzada en el camp de [[Woolsthorpe]] durant la gran epidèmia de pesta del [[1665]].

Recolzat en les premisses dels seus contemporanis, Newton proposa que la llum és formada per petites partícules, amb les quals s'explica fàcilment el fenomen de la [[reflexió]]. Amb una mica més de dificultat, va poder explicar també la [[refracció]] a través de [[lent]] i la separació de la llum solar en colors mitjançant un [[Prisma (òptica)|prisma]].

A causa de l'enorme alçada intel·lectual de Newton, la seva teoria va ser la dominant per un període d'un segle aproximadament, mentre que la teoria de Huygens va ser oblidada. Amb el descobriment de la [[difracció]] al {{segle|XIX}}, però, la teoria ondulatòria va ser recuperada i, durant el {{segle|XX}}, el debat entre ambdues va sobreviure durant un llarg temps.

== Fresnel, Maxwell i Young ==
A començament del {{segle|XIX}}, amb l'[[Experiment de Young|experiment de la doble escletxa]], [[Thomas Young]] i [[Augustin-Jean Fresnel]] certificaren científicament les teories de Huygens. L'experiment va demostrar que la [[llum]], quan travessa una escletxa, mostra un patró característic d'interferències similar al de les ones produïdes en l'aigua. La [[longitud d'ona]] pot ser calculada mitjançant aquests patrons. [[James Clerk Maxwell]], a finals del mateix segle, va explicar la llum com la propagació d'una [[ona electromagnètica]] mitjançant les [[equacions de Maxwell]]. Aquestes equacions, àmpliament demostrades mitjançant l'experiència, van fer que Huygens fos de nou acceptat.

== Einstein i els fotons ==
[[Fitxer:EfectoFotoelectrico.png|miniatura|Efecte fotoelèctric: La llum arrenca electrons de la placa]]
El [[1905]], [[Albert Einstein|Einstein]] va aconseguir una notable explicació de l'[[efecte fotoelèctric]], un experiment fins aleshores preocupant que la teoria ondulatòria era incapaç d'explicar. Ho va fer postulant l'existència de [[fotó|fotons]], feixos de llum amb propietats de partícules.

En l'efecte fotoelèctric, s'observava que si un feix de llum incidia en una placa de metall produïa [[electricitat]] en el circuit. Presumiblement, la llum alliberava els electrons del metall, i en provocava el flux. No obstant això, mentre que una llum blava feble era suficient per a provocar aquest efecte, fins i tot la més forta i intensa llum vermella no ho provocava. D'acord amb la teoria ondulatòria, la força o amplitud de la llum es trobava en proporció amb la seva brillantor: La llum més brillant hauria de ser més que suficient per a crear el pas d'electrons pel circuit. No obstant això, estranyament, no ho produïa.

Einstein va arribar a la conclusió que els electrons eren expel·lits fora del metall per la incidència de fotons. Cada [[fotó]] individual comportava una quantitat d'[[energia]] (N) que es trobava relacionada amb la [[freqüència]] '''''? '''de la llum, mitjançant l'equació següent:

{{equació|<math> E = h\nu\,\! </math>||left}}

en què h és la [[constant de Planck]] (el valor n'és 6,626 × 10 <sup> -34 </sup> J · s). Només els fotons amb una freqüència alta (per sobre d'un valor llindar específic) podien provocar el corrent d'electrons. Per exemple, la [[llum]] blava emetia uns fotons amb una [[energia]] suficient per a arrencar els electrons del metall, mentre que la llum vermella no. Una llum més intensa per sobre del llindar mínim pot arrencar més electrons, però cap quantitat de llum per sota d'aquest podrà arrencar-ne un de sol, per més intensa que sigui la seva brillantor.

Einstein va guanyar el [[Premi Nobel de Física]] a [[1921]] per la seva teoria de l'efecte fotoelèctric.

== De Broglie ==
{{article principal|Ona de matèria}}
El [[1924]], el [[físic]] francès [[Louis-Victor de Broglie]] ([[1892]]-1987) va formular una [[hipòtesi]] en la qual afirmava que:<ref>{{Ref-llibre|cognom=Chandra |nom=Sulekh |títol=Comprehensive Inorganic Chemistry |url=http://books.google.cat/books?id=TQhN9_5y7VAC&pg=PA1&dq=Louis-Victor+de+Broglie+wave+corpuscular&hl=ca&ei=29MiTt6PKsyk-gbtmqi-Aw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CCkQ6AEwAA#v=onepage&q=Louis-Victor%20de%20Broglie%20wave%20corpuscular&f=false |llengua=anglès|editorial=New Age International |data=2005 |pàgines=p.1 |isbn=8122415121}}</ref>

{{Cita|Tota la matèria, no sols la llum, presenta característiques tant ondulatòries com corpusculars}}

Per a postular aquesta propietat de la matèria, De Broglie es va basar en l'explicació de l'[[efecte fotoelèctric]], que poc abans havia donat [[Albert Einstein]], suggerint la natura [[Quant|quàntica]] de la llum. Per a Einstein, l'energia transportada per les ones lluminoses estava quantitzada, distribuïda en petits paquets d'energia o quants de llum, que més tard serien anomenats [[fotó|''fotons'']], i l'energia depenia de la freqüència de la llum mitjançant la relació: <math> E = h\nu\; </math>, en què <math>\nu\; </math> és la freqüència de l'ona lluminosa i <math> h\ \; </math> la [[constant de Planck]]. Albert Einstein proposava, d'aquesta manera, que en determinats processos les ones electromagnètiques que formen la llum es comporten com corpuscles. De Broglie es va preguntar que per què no podria ser de manera inversa, és a dir, que una partícula material (un corpuscle) pogués mostrar el mateix comportament que una ona.

El físic francès relacionà la [[longitud d'ona]], [[λ]] (lambda) amb la [[quantitat de moviment]] de la partícula, mitjançant la fórmula:

: <math>\lambda =\frac{h}{mv}</math>

en què λ és la longitud de l'ona associada a la partícula de [[massa]] ''m'' que es mou a una velocitat ''v'', i ''h'' és la constant de Planck. El producte <math> mv\ \; </math>és també el mòdul del vector <math>\vec p </math>, o ''quantitat de moviment ''de la partícula. Veient la fórmula, s'aprecia fàcilment que, a mesura que la massa del cos o la seva velocitat augmenta, disminueix considerablement la longitud d'ona.

Aquesta hipòtesi es va confirmar tres anys després per als [[electrons]], amb l'observació dels resultats de l'[[Experiment de Young|experiment de la doble escletxa]] de [[Thomas Young|Young]] a la [[difracció]] d'electrons en dues investigacions independents. En la [[Universitat d'Aberdeen]], [[George Paget Thomson]] va fer passar un feix d'electrons a través d'una prima placa de metall i va observar els diferents esquemes predits. En els [[laboratoris Bell]], [[Clinton Joseph Davisson]] i [[Lester Halbert Germer]] van llançar electrons sobre un [[monocristall]] de níquel que es difractaren per reflexió ([[experiment de Davisson-Germer]]).

L'equació de De Broglie es pot aplicar a tota la matèria. Els cossos macroscòpics també tindrien associada una ona, però, atès que la seva massa és molt gran, la longitud d'ona és tan petita que en aquests es fa impossible apreciar les seves característiques ondulatòries.

De Broglie va rebre el [[Premi Nobel de Física]] el [[1929]] per aquesta hipòtesi. Thomson i Davisson van compartir el Nobel del [[1937]] pel seu treball experimental.

== Naturalesa ondulatòria dels objectes grossos ==
Similars experiments han estat repetits amb [[neutrons]] i [[protó|protons]], el més famós d'aquests realitzat per [[Immanuel Estermann]] i [[Otto Stern]] el [[1929]]. Experiments més recents realitzats amb [[àtom|àtoms]] i [[molècules]] demostren que actuen també com a ones.

Una sèrie d'experiments emfasitzant l'acció de la gravetat en relació amb la dualitat ona-corpuscle van ser realitzats a la [[anys 1970|dècada dels 70]] utilitzant un [[interferòmetre de neutrons]]. Els neutrons, part del [[nucli atòmic]], constitueixen gran part de la [[massa]] d'aquest i, per tant, de la matèria. Els neutrons són [[Fermió|fermions]], i per això, en cert sentit, són la [[quinta essència]] de les partícules. Tanmateix, en l'interferòmetre de neutrons, no actuen només com a ones mecanoquàntiques sinó que també aquestes ones es trobaven directament subjectes a la força de la [[gravetat]]. Tot i que això no va ser cap sorpresa, ja que se sabia que la gravetat podia desviar la [[llum]] i fins i tot actuava sobre els [[fotó|fotons]] ([[experiment de Pound-Rebka]]), mai s'havia observat anteriorment actuar, sobre les ones mecanoquàntiques dels fermions, els constituents de la matèria ordinària.

El [[1999]], es va informar de la difracció del ful·lerè de C<sub> 60 </sub> per investigadors de la [[Universitat de Viena]].<ref>Nature, volum 401, pàgines de la 680-682: '' Wave-particle duality of C60 '' per M. Arndt, O. Nairz, [[Julian Voss-Andreae|J. Voss-Andreae]], C. Keller, G. van der Zouw, [[Anton Zeilinger|A. Zeilinger]], 14 d'octubre de 1999. [http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v401/n6754/full/401680a0_fs.html&content_filetype=pdf Naturalesa ona corpuscle de l'Ful·lerè C60] (pdf) (en anglès)</ref> El ful·lerè és un objecte massiu, amb una [[massa molecular]] de 720. La [[longitud d'ona]] de De Broglie és de 2,5 [[picòmetres]], mentre que el diàmetre molecular n'és d'1 [[nanòmetre]], és a dir, 400 vegades més gran. Fins al [[2005]], aquest és l'objecte sobre el qual s'han observat propietats ondulatòries mecanoquàntiques de manera directa. La interpretació d'aquests experiments encara crea controvèrsia, ja que es van assumir els arguments de la dualitat ona-partícula i la validesa de l'equació de De Broglie en la seva formulació.

== Teoria i filosofia ==
La [[paradoxa]] de la dualitat ona-corpuscle és resolta en el marc teòric de la [[mecànica quàntica]]. Aquest marc és profund i complex, a més d'impossible de resumir breument.

Com que la partícula en la natura, sigui [[fotó]], [[electró]], [[àtom]] o el que sigui, pot descriure's en termes de la solució d'una [[equació diferencial]], típicament de l'[[equació de Schrödinger]], però també de l'[[equació de Dirac]], aquestes solucions són funcions matemàtiques anomenades [[funció d'ona|''funcions d'ona'']]. Les funcions d'ona poden difractar i interferir amb d'altres o amb si mateixes, a més d'altres fenòmens ondulatoris predictibles descrits en l'[[experiment de la doble escletxa]].

Les funcions d'ona s'interpreten sovint com la [[probabilitat]] de trobar la corresponent [[Partícula subatòmica|partícula]] en un punt donat de l'espai en un moment donat. Per exemple, en un experiment que contingui una partícula en moviment, hom pot buscar que la partícula arribi a una localització en particular en un moment donat utilitzant un aparell de detecció que es dirigeix a aquest lloc. Mentre que el comportament quàntic segueix unes funcions deterministes ben definides (com les funcions d'ona), la solució a aquestes equacions són probabilístiques. La probabilitat que el detector trobi la partícula és calculada utilitzant la [[integral]] del producte de la funció d'ona i el seu [[complex|complex conjugat]]. Mentre que la funció d'ona es pot pensar com una propagació de la partícula en l'espai, en la pràctica, el detector ''veurà ''o'' no veurà ''la partícula sencera en qüestió, mai no podrà veure una porció d'aquesta, com dos terços d'un electró. Heus aquí l'estranya dualitat: la partícula es propaga en l'espai de manera ondulatòria i probabilística, però arriba al detector com un corpuscle complet i localitzat. Aquesta paradoxa conceptual té explicacions en forma de la [[interpretació de Copenhaguen]], el [[Camí de la Formulació Integral|camí de la formulació integral]] o la [[Universos paralelos|teoria dels molts mons]]. És important puntualitzar que totes aquestes interpretacions són equivalents i resulten en la mateixa predicció, tot i que ofereixen unes interpretacions [[filosofia|filosòfiques]] molt diferents.

Mentre la [[mecànica quàntica]] fa prediccions precises sobre el resultat d'aquests experiments, el seu significat filosòfic encara es busca i es discuteix. Aquest debat ha evolucionat com una ampliació de l'esforç per a comprendre la dualitat ona-corpuscle. Què significa per a un [[protó]] comportar-se com a ona i com a partícula? Com pot ser un [[antimatèria|positró]] matemàticament equivalent a un electró movent-se cap enrere en el temps sota determinades circumstàncies, i quines implicacions té això per a la nostra experiència unidireccional del [[temps]]? Com pot una partícula teleportar-se a través d'una barrera mentre que una pilota de futbol no pot travessar un mur de ciment? Les implicacions d'aquestes facetes de la mecànica quàntica encara segueixen desconcertant molts dels que s'hi interessen.

Alguns físics íntimament relacionats amb l'esforç per a assolir les regles de la mecànica quàntica han vist aquest debat filosòfic sobre la dualitat ona-corpuscle com els intents de sobreposar l'experiència humana en el món quàntic. Atès que, per naturalesa, aquest món és completament no intuïtiu, la teoria quàntica ha de ser apresa sota els seus propis termes independents de l'experiència basada en la intuïció del món macroscòpic. El mèrit científic de buscar tan profundament un significat en la mecànica quàntica és, per a ells, sospitós. El [[teorema de Bell]] i els experiments que inspira són un bon exemple de la recerca dels fonaments de la mecànica quàntica. Des del punt de vista d'un físic, la incapacitat de la nova filosofia quàntica de satisfer un criteri comprovable o la impossibilitat de trobar una fallada en la predictibilitat de les teories actuals la redueix a una posició nul·la, fins i tot amb el risc de degenerar en una [[pseudociència]].

== Vegeu també ==
* [[Mecànica ondulatòria]].
* [[Ona (física)]].
* [[Electromagnetisme]].

== Referències ==
{{Referències}}

== Bibliografia ==
* Anton Zeilinger. [http://www.quantum.univie.ac.at/research/matterwave/c60/index.html Difracció i interferència amb el ful·lerè C60] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20060208104701/http://www.quantum.univie.ac.at/research/matterwave/c60/index.html |date=2006-02-08}}. University of Vienna. {{en}}
* R. Nau. [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod1.html Dualitat ona-corpuscle] Hyperphysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. {{en}}
{{Autoritat}}

{{ORDENA:Dualitat Ona-Particula}}
[[Categoria:Mecànica quàntica]]
[[Categoria:Física de partícules]]