Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

Translator: Marc Isbert Reviewer: Anna Comas-Quinn

One of the most amazing facts in physics is this:

Un dels fets més sorprenents de la física és aquest:

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

A l'univers, tot, de la llum fins els electrons i els àtoms,

behaves like both a particle and a wave at the same time.

es comporta alhora com a partícula i com a ona.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

I les altres coses extranyes que hagis sentit sobre la física quàntica

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

el gat de Schrödinger, Déu jugant als daus, estranyes accions a distància,

all of it follows directly from the fact

tot és conseqüència directa del fet

that everything has both particle and wave nature.

que tot té, alhora, natura d'ona i de partícula.

Pot semblar de bojos.

This might sound crazy.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

Si mires al teu voltant, veuràs ones a l'aigua i grans de sorra,

and they're nothing alike.

i no s'assemblen en res.

So why would you think to combine them?

Per què se'ns acudiria combinar-ho?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

Els físics no van decidir de barrejar-ho perquè sí.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

Més aviat van arribar a la natura dual de l'univers

through a process of small steps,

per un seguit de petites passes,

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

unint una munió de petites evidències com les peces d'un trencaclosques.

El primer a suggerir seriosament que la llum tenia una natura dual

The first person to seriously suggest the dual nature of light

was Albert Einstein in 1905,

va ser Albert Einstein el 1905,

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

seguint una idea prèvia de Max Planck.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Planck va explicar els color de la llum emesa pels objectes calents,

like the filament in a light bulb,

com el filament d'una bombeta elèctrica,

but to do it, he needed a desperate trick:

però per a fer-ho va recórrer a un truc desesperat:

he said the object was made up of oscillators

va dir que l'objecte era fet d'oscil·ladors

that could only emit light in discrete chunks,

que tan sols emetien llum en fragments discrets, discontinus,

units of energy that depend on the frequency of the light.

unitats d'energia que depenien de la freqüència de la llum.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

Planck mai no va estar satisfet amb això, però Einstein ho va tirar endavant.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

Va aplicar la idea a la llum mateixa, dient que la llum,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

que tothom sabia que era una ona, en realitat era un corrent de fotons,

each with a discrete amount of energy.

cadascun amb una quantitat discreta d'energia.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

El mateix Einstein ho reconeixia com l'única cosa revolucionaria que va fer,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

i explica com la llum que il·lumina una superfície metàl·lica

allibera electrons.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

Fins i tot els qui odiaven la idea ho veien com una explicació brillant.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

La propera peça del trencaclosques va venir d'Ernest Rutheford, a Anglaterra.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

Al 1909 Ernest Marsden i Hans Geiger treballaven per a Rutheford

shot alpha particles at gold atoms

i van disparar partícules alfa contra àtoms d'or,

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

i van descobrir, astorats, que algunes rebotaven directament.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

Van demostrar que la majoria de la massa de l'àtom es concentrava a un nucli petit.

The cartoon atom you learn in grade school,

L'àtom de tebeo que ens ensenyen a l'escola,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

amb els electrons orbitant com un sistema solar en miniatura,

that's Rutherford's.

és el de Rutheford.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

Un petit problema amb aquest model: no pot funcionar.

Classical physics tells us that an electron

La física clàssica ens diu que un electró

whipping around in a circle emits light,

amb una trajectòria circular emet llum,

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

i aquest fet el fem servir sempre que generem ones de ràdio i raigs X.

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

L'àtom de Rutheford hauria d'escampar raigs X en totes direccions per un instant

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

abans de caure cap el nucli en espiral.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

Però Niels Bohr, un físic teòric danès que treballava amb Rutheford,

pointed out that atoms obviously exist,

va fer notar que, evidentment, els àtoms existeixen,

so maybe the rules of physics needed to change.

i que potser calia canviar les regles de la física.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Bohr va proposar que un electró, en certes òrbites especials,

doesn't emit any light at all.

no emet gens de llum.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Els àtoms absorbeixen i emeten llum només quan un electró canvia d'òrbita,

and the frequency of the light depends on the energy difference

i la freqüència de la llum depèn de la diferència d'energia

in just the way Planck and Einstein introduced.

exactament com van proposar Planck i Einstein.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

L'àtom de Bohr resol el problema de Rutheford

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

i explica perquè els àtoms emeten tan sols uns colors de llum molt concrets.

Cada element té les seves òrbites especials,

Each element has its own special orbits,

and thus its own unique set of frequencies.

i per tant el seu conjunt de freqüències únic.

The Bohr model has one tiny problem:

Però el model de Bohr té un petit problema:

there's no reason for those orbits to be special.

No hi ha cap raó per aquestes òrbites concretes.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

En Louis de Broglie, un estudiant de doctorat francès,

brought everything full circle.

va encaixar totes les peces.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

Va fer notar que si la llum, que tothom sap que és una ona,

behaves like a particle,

es comporta com a partícula,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

potser l'electró, que tothom sap que és una partícula,

behaves like a wave.

es comporta com una ona.

And if electrons are waves,

I si els electrons són ones,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

es pot explicar fàcilment la regla de Bohr per a triar les òrbites especials.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

Un cop tens la idea que els electrons es comporten com a ones,

you can go look for it.

pots mirar d'observar-ho.

I al cap de pocs anys, científics americans i britànics

And within a few years, scientists in the US and UK

had observed wave behavior from electrons.

observaren el comportament ondulatori dels electrons.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Avui en dia en tenim una demostració ben clara:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

disparem electrons individuals contra una barerra amb fenedures verticals

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

Cada electró es detecta a un lloc específic a un moment específic,

like a particle.

com una partícula.

Però quan repeteixes l'experiment moltes vegades,

But when you repeat the experiment many times,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

el conjunt d'electrons individuals dibuixa un patró de franges

characteristic of wave behavior.

característic del comportament ondulatori.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

La idea que les partícules es comporten com ones, i viceversa,

is one of the strangest and most powerful in physics.

és una de les més estranyes i potents de la física.

Richard Feynman famously said

Richard Feynman va dir

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

que il·lustrava el misteri central de la mecànica quàntica.

Everything else follows from this,

Tot surt d'aquí

com les peces d'un trencaclosques que van encaixant al seu lloc.

like pieces of a puzzle falling into place.