Paradoxe de Landé

La relation de De Broglie est :

${\displaystyle p={\frac {h}{\lambda }}}$.

Classiquement, pour une particule de masse ${\displaystyle m}$, la quantité de mouvement ${\displaystyle p}$ et la longueur d'onde ${\displaystyle \lambda }$ se transforment de la façon suivante sous une transformation de Galilée :

${\displaystyle {\begin{cases}p\to p+mv=p'\\\lambda \to \lambda =\lambda '\end{cases}}}$

En effet, une onde classique, de fréquence ${\displaystyle \nu }$, est représentée par

${\displaystyle f(x,t)=\alpha \sin \left[2\pi \left({\frac {x}{\lambda }}-\nu t\right)\right]}$.

Et alors, sous une transformation de Galilée pure :

${\displaystyle {\begin{cases}x\to x+vt=x'\\t\to t=t'\end{cases}}}$

l'onde classique respecte

${\displaystyle {\begin{aligned}f'(x',t')&=f(x,t)\\&=\alpha \sin \left[2\pi \left({\frac {x'-vt'}{\lambda }}-\nu t'\right)\right]\\&=\alpha \sin \left[2\pi \left({\frac {x'}{\lambda }}-\left(\nu +{\frac {v}{\lambda }}\right)t'\right)\right]\end{aligned}}}$

c'est-à-dire que la longueur d'onde se transforme de la façon mentionnée ci-haut (${\displaystyle \lambda '=\lambda }$) , et la fréquence ${\displaystyle \nu '=\nu +{\frac {v}{\lambda }}}$(c'est l'effet Doppler non-relativiste).

Le problème est le suivant : L'imposition de la covariance de la théorie implique qu'on doit avoir, en particulier :

${\displaystyle p'={\frac {h}{\lambda '}}\quad \Rightarrow \quad p+mv={\frac {h}{\lambda }}}$

ce qui n'est bien sûr pas respecté pour toute transformation de Galilée non triviale (avec ${\displaystyle v\neq 0}$).

L'erreur était de supposer que ${\displaystyle f'(x',t')=f(x,t)}$. Ceci est vrai pour une onde classique, mais ne tient plus dans un cadre quantique. En effet, les représentations en mécanique quantique non-relativiste (covariante de Galilée) sont des représentations projectives. Elles obéissent donc à l'équation suivante :

${\displaystyle \psi '(x',t')=\exp \left[{\frac {2\pi i}{h}}m\left({\frac {1}{2}}v^{2}t+vx\right)\right]\psi (x,t)}$

Pour une onde générale normalisée, ${\displaystyle \psi (x,t)=\exp \left[2\pi i\left({\frac {x}{\lambda }}-\nu t\right)\right]}$ :

${\displaystyle {\begin{aligned}\psi '(x',t')&=\exp \left[2\pi ix\left({\frac {1}{\lambda }}+{\frac {mv}{h}}\right)-2\pi it\left(v-{\frac {1}{2}}{\frac {mv^{2}}{h}}\right)\right]\\&=\exp \left[2\pi i(x'-vt)\left({\frac {1}{\lambda }}+{\frac {mv}{h}}\right)-2\pi it'\left(v-{\frac {1}{2}}{\frac {mv^{2}}{h}}\right)\right]\\&=\exp \left[2\pi i\left({\frac {x'}{\lambda '}}-\nu 't'\right)\right]~,\\&\quad {\text{o}}{\grave {\text{u}}}~~\lambda '=\left({\frac {1}{\lambda }}+{\frac {mv}{h}}\right)^{-1}~,\quad \nu '=\nu +{\frac {v}{\lambda }}+{\frac {mv^{2}}{2h}}\end{aligned}}}$

Et ainsi, on comprend qu'une onde en mécanique quantique, contrairement à une onde classique, voit sa fréquence et sa longueur d'onde modifiées sous une transformation de Galilée pure.

Il n'y a donc pas de vrai paradoxe.

• (en) J.‐M. Lévy‐Leblond, « Quantum fact and classical fiction: Clarifying Landé’s pseudo‐paradox », American Journal of Physics,‎ 1976, p. 1130

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