Louis de Broglie, l'últim pioner quàntic
1987/10/01 Gribbin, John Iturria: Elhuyar aldizkaria
Albert Einstein va dir que el que havia mirat abans com a ona (la llum) era també com a partícula (el fotó). De Broglie inferió que el que abans es prenia com a partícula (electró) havia de ser vist ara també com a ona. De seguida, el dualisme ona/parícula va entrar en tota la nova física.
Encara que el descobriment sembla molt comú, ha arribat fins a les restes del problema. Si les ones de la llum actuen com a partícules, va pensar per què els electrons no actuen com a ones? Si hagués quedat en això, no hagués estat recordat com un dels fundadors de la teoria quàntica i no hagués rebut el Premi Nobel (1929). Com a especulació, la idea no té molt pes i abans en 1912 es van fer especulacions similars sobre els raigs X. Llavors William H. El gran físic Braggs va afirmar sobre la física dels raigs X que, amb la meva imatge, el problema no sorgeix en haver de triar entre dues teories sobre els raigs X, sinó en trobar una teoria que tingués la capacitat d'ambdues.
El major assoliment de De Broglie va ser la formulació matemàtica del dualisme ona/partícula. Va descriure el comportament de la matèria i va proposar mètodes per a la seva detecció. Va tenir el gran avantatge de ser el membre més jove d'un grup de físics. El seu germà major, Maurice, era físic i va dirigir a la recerca. Segons Louis De Broglie més endavant, Maurice en les seves converses amb ell destacava la importància de la realitat innegable de la part dual de les ones i les partícules. Va arribar l'hora d'aquesta idea i Louis de Broglie va tenir la fortuna de viure quan hi havia una peça comuna madura que canviaria la física teòrica.
Funcionant però...
De Broglie va néixer en 1892. Encara que la tradició de la seva família li empenyia a funcionar, quan en 1910 va començar en la Universitat de París, es va interessar fortament per la ciència, sobretot la mecànica quàntica. El seu germà, 17 anys major, li va obrir la finestra a aquest món. A més, Maurice, que va obtenir el títol de doctor en 1908, va ser un dels secretaris científics del primer congrés de Solvay i va passar informació sobre aquest tema a Louis. Però dos anys després, 1913, els seus estudis físics es van interrompre. Al principi a curt termini, però durant la Primera Guerra Mundial, el seu servei militar es va prolongar fins a 1919.
Acabada la guerra de Brolglie va tornar a estudiar teoria quàntica i va començar a treballar en les línies que li van portar a descobrir la unitat que es trobava sota les terorias de partícules i ones. L'explosió va tenir lloc en 1923, quan va publicar tres articles sobre la naturalesa dels quàntics de llum en la revista francesa Comptes Rendus, i després en la Philosophical Magazine de principis de 1924 es va publicar un resum en anglès. Aquestes breus aportacions no van tenir gran impacte, però de Broglie reordena les seves idees i les presenta més completes per a la seva tesi doctoral. Al novembre de 1924 llegeix a la Sorbona i a principis de 1925 es publica en la revista Annales de Physique. D'aquesta manera, la base del seu treball s'aclareix i es converteix en un dels majors avanços de la física en la dècada de 1920.
El nucli de les idees
Per als quàntics de llum, De Broglie comença a operar a partir de dues equacions derivades per Einstein:
E=h ; p=h /c
En aquestes dues equacions les propietats corresponents a les partícules (energia i moment) apareixen a l'esquerra i les corresponents a les ones (freqüència) a la dreta. Segons De Broglie, la conducta en la qual fallaven els intents de resoldre si la llum és ona o partícula es deu al fet que totes dues formes estan estretament relacionades. Per a mesurar la propietat moment d'una partícula també has de conèixer la seva propietat de freqüència. Aquesta dualitat no és exclusiva dels fotons. En aquella època es considerava que els electrons eren partícules de comportament, encara que dins dels àtoms els nivells energètics s'omplien de manera curiosa. Però de Broglie es va adonar que si els electrons només existeixen en les òrbites definides numèricament, això defineix d'alguna manera una propietat d'ona. Els únics fenòmens que requereixen nombres enters dins de la física són les maneres de vibració més normals i interferents en la seva tesi. Aquest fet em va animar a no mirar als meus electrons com a mers corpuscles, sinó que havien d'assignar-los periodicitat.
De Broglie creia que les ones estaven associades amb partícules i va suggerir que una partícula com el fotó porta el seu camí perquè té una ona associada. La partícula està associada a l'ona. El resultat era una descripció matemàtica precisa del comportament de la llum que utilitzava evidències d'assajos amb ones i partícules. Els estudiosos que van estudiar la tesi de De Broglie van tenir ganes de matemàtiques, però creien que la idea de partícula associada a una partícula no tenia significat físic, sinó que era una curiositat de les matemàtiques. Quan un dels examinadors li va preguntar quin intent podia dur-se a terme per a detectar les ones de la matèria, va respondre a la difracció d'un feix d'electrons ocorregut en un cristall. La sessió és com la difracció de llum que es realitza a través d'unes escletxes. Els àtoms d'un cristall regularment espaiat formen ranures bastant estretes per a difractar els electrons d'alta freqüència (longitud d'ona curta).
La nova idea es va consolidant
Segons els seus càlculs, de Broglie sabia a quina longitud d'ona havia de mirar, però no sabia que els fenòmens que podien explicar-se adequadament amb les difracció dels electrons ja eren coneguts en 1914. Aquests fenòmens van tenir lloc quan es van utilitzar els electrons per a provar els cristalls. En una època en la qual De Broglie estava formulant les seves idees, 1922-23, dos físics americans, Clinton Davisson et Charles Kunsman, estudiaven els fets coneguts com a efectes Ramsauer. Al no tenir coneixement d'això, de Broglie actuava empenyent a assajar la hipòtesi ona/partícula. Mentrestant, el director de la tesi de Broglie, Paul Langevin, va enviar a Einstein una còpia del seu treball. Einstein va veure en la seva tesi una mica més que una curiositat matemàtica i va descobrir el que les ones de la matèria havien de ser reals. Einstein va passar les notícies a Max Born, que estava en Göttingen. James Franck, cap del departament de física local, va afirmar que les sessions de Davisson ja havien provat l'efecte.
Davisson i Kunsman, com molts altres físics, creien que l'efecte Ramsauer era produït per l'estructura dels àtoms bombardejats i no per la naturalesa dels electrons. Walter Elsass, alumne de Born, va publicar una breu nota explicant aquestes sessions en termes d'ones electròniques en 1925, però els investigadors no van impressionar quan les seves dades van ser reinterpretades per un teòric, sobretot quan el teòric era un alumne desconegut de 21 anys.
En 1925, encara que existís evidència experimental, la idea de les ones materi no era més que una cosa ennuvolada. Només quan Erwin Schrödinger va plantejar una nova estructura etómica utilitzant la idea de Broglie va sorgir el desig d'assajar la difracció d'electrons. Quan aquestes sessions es van celebrar en 1927, van demostrar que De Broglie funcionava correctament (les xarxes cristal·lines difracten els electrons com si fossin ones). El descobriment va ser realitzat de manera independent per dos equips: Davisson i el seu nou company Lester Germer als EUA, d'una banda, i George Thomson (fill de J.J.) i l'alumne Alexander Reid per un altre a Gran Bretanya. Tots dos grups van utilitzar diferents tècniques. L'evidència experimental del dualisme ona/partícula de Broglie des de 1928 és ineludible.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
