Ni ona ni partícula

En aquestes passades sessions hem considerat les diverses teories que han intentat explicar què és la llum: des de les que, entre els anys 400 aC i 1000 de la nostra era, discutien si la visió es produeix per un raig de llum que surt de l’objecte i arriba a l’ull o al contrari, surt de l’ull i arriba l’objecte, la teoria corpuscular de Newton o la teoria ondulatòria de Huygens, Young i Fresnel, fins a la teoria electromagnètica de Maxwell.

A finals del segle XIX, la teoria ondulatòria de la llum, amb la naturalesa electromagnètica que havia demostrat Maxwell, havia quedat consolidada. Però el fet que Michelson i Morley no haguessin pogut trobar cap indici de l’èter còsmic, suport que Maxwell considerava necessari per què la llum pogués viatjar per l’espai, constituïa un punt d’incoherència de la teoria. Com era que, a pesar dels esforços, no s’hagués trobat l’èter? O, si no existia, com podia viatjar una ona per l’espai sense un suport o medi que vibrés?

Un altre aspecte discutit de la teoria de Maxwell era, que la velocitat de les ones electromagnètiques i per tant, de la llum, només depèn de les característiques del medi i no de la situació de repòs o moviment de l’emissor. La llum que surt del focus d’un vehicle en moviment cap endavant, per exemple, segons la mecànica de Newton plenament acceptada i vàlida, hauria de veure’s incrementada en la velocitat del vehicle. Però segons la teoria de Maxwell no, la velocitat de la llum només depèn del medi en el que es transmet. Aquesta contradicció entre ambdues teories era un altre punt en discussió.

L’efecte fotoelèctric
L’any 1905 és d’aquells anys marcats en or a la història de la ciència. És l’any en que Albert Einstein, Ulm, Alemanya, 1879 – Princeton, EE. UU. 1955, publicà quatre articles a la revista Annalen der Physik, el més important dels quals és el de la teoria de la relativitat restringida. L’article que ara ens interessa és, però, el que publicà el març de 1905 sobre l’efecte fotoelèctric.

Heinrich Hertz, havia aconseguit generar ones electromagnètiques el 1887 i havia mesurat la seva velocitat, comprovant la hipòtesi de Maxwell de que la llum era una ona electromagnètica. Però també havia fet un altre descobriment: la descàrrega d’un objecte carregat elèctricament, fent saltar espurnes, es facilitava fent que saltessin més espurnes quan l’objecte s’il·luminava amb llum ultraviolada. Philip Lenard (1862 – 1947), físic hongarès que havia treballat amb Hertz, va observar el 1900 que, quan un raig lluminós incideix sobre una superfície metàl·lica s’expulsen electrons i l’energia d’aquests no depèn de la intensitat de la llum, sinó de la longitud d’ona i, per tant, de la freqüència de la llum. Ja que la intensitat de la llum és energia per unitat de temps i de superfície il·luminada, es podia esperar que l’energia dels electrons augmentés quan augmentés la intensitat de la llum. Aquest resultat era, per tant, inesperat. Lenard va ser guardonat el 1905 amb el Premi Nobel, no per aquest treball, sinó per els seus treballs sobre els raigs catòdics.

Albert Einstein. Science Museum London. Foto JL. Diez.

Albert Einstein. Science Museum London. Foto JL. Diez.

Einstein, en el seu article de 1905, proposa una interpretació d’aquest resultat, basada en la teoria quàntica que Max Planck, (Kiel, Alemanya, 1858 – Göttingen, Alemanya,1947) havia postulat el 1900. Segons Planck, l’energia d’una ona electromagnètica havia de ser múltiple d’una unitat elemental, el quàntum, el valor del qual era proporcional a la freqüència de l’ona. Això equivalia a suposar que les ones electromagnètiques eren un doll de quàntums, que en el cas de la llum es van anomenar fotons, i ressuscitar la teoria corpuscular de la llum. Planck va pensar inicialment en aquest postulat com una hipòtesi de treball, més que com una realitat, ja que era incompatible amb la física coneguda fins aleshores.

Interpretació d’Einstein: quan un quàntum o fotó de llum arriba a la superfície metàl·lica, es capaç d’arrencar un electró si té prou energia, que li vindrà donada en funció de la freqüència de la llum, segons el postulat de Plank. Una llum de molta intensitat, però baixa freqüència, no podrà arrencar electrons perquè cadascun dels fotons no tindrà prou energia per fer-ho. Una llum de poca intensitat però alta freqüència, si podrà arrencar electrons perquè cadascun dels fotons tindrà prou energia per fer-ho. Aquesta interpretació, que va ser confirmada experimentalment per el físic americà Robert Millikan, uns deu anys després, li va suposar a Einstein la concessió del Premi Nobel de Física de 1921. Cal remarcar que, encara que l’explicació d’Einstein de l’efecte fotoelèctric fos suficient per ser mereixedor del Premi Nobel, el mateix any 1905 havia presentat l’article de la teoria de la relativitat, de molta més rellevància. L’Acadèmia Sueca no es va atrevir a donar-li el Premi per la teoria de la relativitat, en discussió aleshores i va optar per premiar el geni indiscutible d’Einstein per la seva aportació a l’efecte fotoelèctric.

La interpretació d’Einstein de l’efecte fotoelèctric, trobat experimentalment per Hertz i Lenard, constituïa una confirmació de la teoria de Planck i reobria la polèmica sobre la naturalesa de la llum. No es podia negar la seva naturalesa ondulatòria, que des de Huygens al segle XVII fins a Maxwell i Hertz a finals del XIX, disposava d’un potent model matemàtic i havia quedat ben demostrada experimentalment, però era innegable que no podia explicar fenòmens com l’efecte fotoelèctric. D’altra banda, la teoria corpuscular era insuficient per explicar fenòmens ondulatoris com la difracció o les interferències. Calia trobar una nova teoria que unifiqués les dues teories anteriors.
(1) (2) (3)

Ona associada a una partícula
Louis de Broglie (Dieppe, França, 1892 – Louveciennes, França, 1987), físic francès, va tenir una formació inicialment humanística, llicenciant-se en història el 1910. Després va estudiar ciències i es va llicenciar el 1913. Va fer el servei militar durant la 1ª Gran Guerra i, un cop acabada, va reprendre els estudis de física especialitzant-se en física teòrica i en els quanta. El 1924 va presentar una tesis doctoral a la facultat de ciències de la universitat de Paris, en la que exposava una idea que va semblar aleshores revolucionària: les partícules de matèria tenen una ona associada, per el que poden presentar fenòmens característics de les ones.

Louis de Broglie. Imatge Wikimedia Commons.

Louis de Broglie. Imatge Wikimedia Commons.

Si a les ones de llum se’ls havia trobat un comportament de partícules, com el que posava de manifest l’efecte fotoelèctric, ara, Louis de Broglie feia la hipòtesi que les partícules de matèria, com els electrons, protons o neutrons, tenien una ona associada, podent presentar fenòmens ondulatoris en el seu comportament. Aquesta predicció va ser confirmada el 1927 per els físics americans Clinton Davisson i Lester Germer, del Bell Telephone Laboratory, que van observar la difracció d’un feix d’electrons per la superfície d’un cristall de niquel. Considerant l’ona associada al feix que suposava la teoria de De Broglie, van trobar els angles exactes de difracció esperats. També en 1927, George Thomson, físic anglès, va fer un experiment similar, aconseguint una figura de difracció d’electrons a través d’una lámina fina. De Broglie va ser guardonat amb el Premi Nobel de Física de 1929, per la seva teoria i Davisson i Thomson amb el de 1937, per la comprovació experimental.
(4) (5) (6) (7) (8) (9)

Teoria quàntica
En els temps en que va ser publicada la hipòtesi de De Broglie i en els anys posteriors, la teoria quàntica es va desenvolupar de la mà de personalitats com Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Dirac i altres.  Els models científics que descrivien el món físic van canviar radicalment. Es va passar de les descripcions intuïtives de la física clàssica als models matemàtics basats en les funcions d’ona. Es va imposar la idea d’escala de percepció. A escala humana, els fenòmens que podem percebre poden ser explicats per la física clàssica en la gran majoria dels cassos; així, la llum, sota la nostra percepció directa, es comporta com una ona electromagnètica. A escala atòmica i sobretot subatòmica, perd sentit la distinció entre ones i partícules i és la física quàntica, a través de les funcions d’ona, la que descriu el comportament dels diferents cossos, amb uns procediments que tenen poc a veure amb la nostra percepció habitual; és a aquesta escala que la llum no és ni ona ni partícula, perquè ja deixa de tenir sentit aquesta distinció. La vella discussió sobre la naturalesa de la llum queda superada per l’aprofundiment en el coneixement del món físic que suposa la teoria quàntica.

 Audio de la xerrada

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
Sopa d’estrelles” del 2 de desembre de 2015.

Fonts d’informació utilitzades
(1) J J O’Connor and E F Robertson, «Light through the ages: Relativity and quantum era», University of St. Andrews. Agost 2002.
http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/HistTopics/Light_2.html
(2) A. Einstein, «Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt», Annalen der Physik, març 1905.
http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf
A.B. Arons, M.B. Peppard, «Einstein’s proposal of the photon concept», American Journal of Physics, maig 1964. Traducció de l’article original d’Einstein d’ Annalen der Physik, 1905.
http://hexagon.physics.wisc.edu/teaching/2015f%20ph545%20atomic%20structure/papers/einstein%20photoelectric%201905.pdf
(3) Paul A. Tipler. Física. 1978. Editorial Reverté.
(4) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-bio.html
(5) Louis de Broglie, «Recherches sur la théorie des Quanta». Tesi doctoral. Publicada a Annales de Physique. Janvier-Février 1925. HAL archives-ouvertes.
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00006807/document
(6) Fondation Louis de Broglie. http://aflb.ensmp.fr/oeuvres.html
(7) http://dev.physicslab.org/document.aspx?doctype=3&filename=atomicnuclear_davissongermer.xml
(8) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/
(9) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/thomson-lecture.html

 

Aquesta entrada ha esta publicada en física, llum. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Els comentaris estan tancats.