Dualité onde-particule
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Les objets quantiques sont dingues, mais au moins, ils sont tous dingues de la même manière. Richard Feynman " 


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En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien,...), la dualité onde-particule (« Les objets quantiques sont dingues, mais au moins, ils sont tous dingues de la même manière. Richard Feynman » ) ou dualité onde-corpuscule est un principe selon lequel tous les objets de notre univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) présentent simultanément des propriétés d'ondes et de particules. Ce concept fait partie des fondements de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un...) quantique.

Cette dualité tente de rendre compte de l'inadéquation des concepts conventionnels de " particules " ou d'" ondes ", pris isolément, à décrire le comportement des objets quantiques. L'idée de la dualité prends ses racine dans un débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées, réflexions ou...) remontant aussi loin que le XVIIe siècle siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être...), quand s'affrontaient les théories concurrentes de Christiaan Huygens qui considérait que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) était composée d'ondes et celle de Isaac Newton (Sir Isaac Newton était un philosophe, mathématicien, physicien et astronome anglais né le 4 janvier 1643 du calendrier grégorien[1] au manoir de Woolsthorpe près de Grantham et mort...) qui considérait que la lumière était des particules. À la suite des travaux de Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un...), Louis de Broglie (Louis Victor de Broglie, duc de Broglie (Dieppe, 15 août 1892 – Louveciennes, 19 mars 1987) était un mathématicien, physicien et académicien français.) et bien d'autres, les théories scientifiques modernes accordent à tous les objets une nature d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) et de particule, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu'à des échelles microscopiques.

Approches vulgarisées

Introduction

Un des grands problèmes de la physique quantique est de donner des images. En effet, l'être humain a besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires,...) d'images pour réfléchir, pour retenir (voir l'article Psychologie cognitive). À titre d'exemple, lorsqu'on ne connaît quelqu'un que par la voix (on l'a eu au téléphone (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix humaine.) ou entendu à la radio) et que l'on voit la personne pour la première fois, on se dit " c'est bien comme cela que je me l'imaginais " ou bien au contraire " je ne me l'imaginais pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme cela " ; notre cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité...) a donc construit une image pour désigner cette personne, bien que l'on ne l'ait jamais vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.).

Le problème en physique quantique est que, pour se représenter les objets (particules élémentaires), il faut faire appel à deux notions : les ondes et les particules solides.

On ne peut se construire des images que par analogie avec ce que l'on connaît, avec notre expérience quotidienne. Ainsi, lorsque l'on s'imagine une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte...) sonore, il nous vient à l'esprit les vagues sur l'eau ; lorsque l'on s'imagine une particule, il nous vient à l'esprit une bille. Les deux notions sont donc opposées et incompatibles :

Propriétés macroscopiques des ondes et particules
Particule Onde
localisée, d'extension définie délocalisée (un son peut être entendu dans toute la pièce)
création et destruction impossible[1] création et destruction facile (pincer ou arrêter une corde de guitare)
séparés, impossibles à fusionner[1] addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la réunion de quantités ou l'adjonction de grandeurs extensives de même nature, comme les longueurs, les aires, ou les...) simple (interférences)

Ceci cause un grand trouble, une incompréhension, et entraîne fréquemment un blocage, notamment lorsque l'on se pose la question : " si une particule est bien localisée lors d'une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.), comment se fait-il qu'elle ne le soit pas hors interaction ? "

La métaphore du cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane...)

Métaphore du cylindre : objet ayant à la fois les propriétés d'un cercle et d'un rectangle
Métaphore du cylindre : objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné...) ayant à la fois les propriétés d'un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée rayon du...) et d'un rectangle (En géométrie, un rectangle est un quadrilatère dont les quatre angles sont des angles droits.)

La métaphore du cylindre est l'exemple d'un objet ayant des propriétés apparemment inconciliables. Il serait à première vue incongru d'affirmer qu'un objet a à la fois les propriétés d'un cercle et d'un rectangle : sur un plan, un objet est soit un cercle, soit un rectangle.

Mais si l'on considère un cylindre : une projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) dans l'axe du cylindre donne un cercle, et une projection perpendiculairement à cet axe donne un rectangle.

On a donc bien un objet ayant les propriétés de l'un et de l'autre (mais il n'est ni l'un, ni l'autre). " Onde " et " particule " sont des manières de voir les choses et non pas les choses en elles même.

Notons par ailleurs que dans la description mathématique de la physique quantique, le résultat de la mesure est similaire à une projection géométrique (notion d'observable : l'état de l'objet est décrit par des nombres que l'on peut voir comme des coordonnées dans une base vectorielle, et en géométrie euclidienne (La géométrie euclidienne commence avec les Éléments d'Euclide, qui est à la fois une somme des connaissances géométriques de l'époque et une tentative de formalisation mathématique de ces connaissances....), les coordonnées sont la projection de l'objet sur les axes de référence).

La métaphore des tourbillons dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.)

Le texte initial de cette partie est paru initialement sur le forum usenet news:fr.sci.physique le 13 septembre 2002, et est reproduit ici sous licence GDFL avec l'accord de l'auteur ; cf. (lien).

Nous allons ici proposer une autre image, celle des tourbillons dans l'eau, qui permet de se représenter macroscopiquement ce phénomène.

Des tourbillons se forment de manière aléatoire par interaction entre le rocher et le courant
Des tourbillons se forment de manière aléatoire par interaction entre le rocher et le courant

Imaginons une rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la gravité et qui se jette dans une autre rivière ou dans un fleuve, contrairement au fleuve qui se jette, lui, selon cette terminologie,...), et posons un rocher dans cette rivière. Le courant, en rencontrant le rocher, va donner naissance à des tourbillons. Le tourbillon se détache du rocher, et en s'éloignant, il s'estompe et disparaît. L'objet observé est le tourbillon, mais est-il un objet en lui-même, ou bien est-il juste le produit de l'interaction de deux autres objets ? Assurément, on peut étudier le tourbillon en tant que tel : position, taille, vitesse (On distingue :)... mais il ne peut pas exister seul, il est bien le résultat de l'interaction entre le rocher et le courant.

Imaginons deux rochers placés à une certaine distance l'un de l'autre, mais alignés dans le fil de l'eau. On observe un tourbillon après le rocher amont, et l'on observe un tourbillon après le rocher aval. Peut-on en déduire que le tourbillon a voyagé d'un rocher à l'autre ? Assurément non. On ne peut pas non plus dire qu'un tourbillon a voyagé depuis la source de la rivière jusqu'au rocher. Le tourbillon se forme localement par interaction du courant avec l'obstacle, mais il n'a pas d'existence propre entre deux obstacles.

Comparaison avec le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...)

Le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) est comme le tourbillon :

  • de même que l'apparition du tourbillon est aléatoire, mais déterminée par la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) du courant et la taille du rocher (taille moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...) du tourbillon, fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) d'apparition), l'apparition du photon est aléatoire mais déterminée par l'onde électromagnétique et l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) cible ;
  • s’il n'y a pas de rocher, il n'y a pas de tourbillon ; de même, si l'onde voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est...) dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), à aucun moment il n'y a de paquet d'onde ;
  • de même que le tourbillon s'estompe, le photon, lorsqu'il est diffusé (c'est-à-dire s'il n'est pas absorbé), s'estompe après et n'est localisé que sur une courte distance après l'interaction.

On peut bien entendu faire la comparaison avec toute particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des...), en remplaçant le terme " onde électromagnétique " par " fonction d'onde ".

Limites de la métaphore

Mais comparaison n'est pas raison. Il ne s'agit bien que d'une métaphore, d'une analogie ; les particules ne sont pas des tourbillons.

Par ailleurs, la métaphore ne prend pas en compte le phénomène de réduction du paquet d'onde. En effet, dans le cas du tourbillon, on a juste une concentration locale de l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement....) du courant, mais le courant garde sa force à côté. Dans le cas du photon au contraire, c'est la totalité h·ν de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de la portion d'onde qui est concentrée dans le paquet d'onde. Ainsi, si le photon est absorbé par l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite...), il ne pourra pas y avoir une autre condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou...) de paquet d'onde plus loin ; donc dans l'expérience de la fente de Young, si un photon se condense sur la plaque métallique, il faudra attendre " un certain temps " (d'autant plus court que le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) d'énergie est grand) pour qu'il y ait une possibilité d'apparition d'un photon sur la plaque photo située derrière.

Dans le cadre de la métaphore, pour représenter la réduction du paquet d'onde, il faudrait imaginer que le lit de la rivière soit étroit, et que le tourbillon concentre suffisamment d'eau pour assècher une portion de la rivière.

Par ailleurs, le tourbillon suit toujours le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) du courant, alors que le photon est diffusé dans toutes les directions (diffusion Rayleigh).

Ensuite, on pourrait croire que l'atome, représenté comme un rocher, est fondamentalement différent de l'onde électromagnétique/photon, représenté comme un courant d'eau. Il n'en est rien, en physique quantique, les deux objets sont représentés de la même manière, par une fonction d'onde. La seule différence est que l'atome, lorsqu'il est placé au sein de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux....) solide (cas d'un atome de la la plaque métallique percée, atome de la plaque photographique), sa probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) de présence n'est pas uniforme mais concentrée dans une zone restreinte, ce qui justifie sa représentation par un objet de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) limité (le rocher). On pourrait améliorer la métaphore en considérant la confluence (La confluence d'un système de réécriture est définie comme la propriété suivante :) de deux cours d'eau (l'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes...) des flux crée des tourbillons), ce qui représenterait le phénomène d'un jet d'atomes isolés dans une onde électromagnétique.

Historique du concept

La dualité onde-particule s'est imposée au terme d'une longue histoire où les aspects purement ondulatoires et corpusculaires ont été tour à tour privilégiés. Ces aspects on tout d'abord été mis en évidence avec les théories de la lumière, avant d'être étendus — au XXe siècle — à tous les objets physiques.

Huygens et Newton

La première théorie complète de la lumière a été établie par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et...) néerlandais Christiaan Huygens au XVIIe siècle. Il proposait une théorie ondulatoire de la lumière et a en particulier démontré que les ondes lumineuses pouvaient interférer de manière à former un front d'onde de propageant en ligne droite. Toutefois, sa théorie possédait certaines limitations en d'autres domaines et fut bientôt éclipsée par la théorie corpusculaire de la lumière établie à la même époque par Isaac (ISAAC est un algorithme capable de générer des nombres pseudo-aléatoires, tombé dans le domaine public en 1996. Son auteur, Bob Jenkins, l'a conçu de...) Newton.

Newton proposait une lumière constituée de petites particules, expliquant ainsi simplement les phénomènes de réflexion optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Au prix de complications considérables, cette théorie pouvait également expliquer les phénomènes de réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change entre...) à travers une lentille, et de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences...) d'un faisceau lumineux à travers un prisme.

Bénéficiant de l'immense prestige de Newton, cette théorie ne fut pas remise en question pendant plus d'un siècle.

Fresnel, Maxwell et Young

Au début du XIXe siècle, les expériences de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de...) faites par Thomas Young et Augustin Fresnel ont démontré l'exactitude des théories de Huygens : ces expériences prouvèrent que quand la lumière est envoyée sur un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit...) de diffraction, on observe un motif d'interférence caractéristique, très semblable aux motifs résultant de l'interférence d'ondulations sur l'eau; la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde de la lumière peut être calculée à partir de tels motifs.

Le point (Graphie) de vue ondulatoire n'a pas remplacé immédiatement le point de vue corpusculaire, mais s'est imposé peu à peu à la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) au cours du XIXe siècle, surtout grâce à l'explication du phénomène de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la...) de la lumière que ne pouvait expliquer l'autre approche. Ces équations furent vérifiées par maintes expériences et le point de vue de Huygens devint largement admis.

James Maxwell, à la fin du XIXe siècle, expliqua la lumière en tant que propagation d'ondes électromagnétiques avec les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de l'électromagnétisme, avec...).

Einstein et photons

En 1905, Albert Einstein réconcilia la théorie de Huygens avec celle de Newton : il expliqua l'effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distingue deux cas : des électrons sont éjectés du matériau (émission...), un effet dans lequel la lumière n'agit pas en tant qu'onde, en postulant l'existence des photons, quanta d'énergie lumineuse avec des qualités de particules. Einstein postula que la fréquence ν de cette lumière, est liée à l'énergie E des photons :

E = hν

h est la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour décrire la taille des quanta. Elle joue un rôle central dans la mécanique quantique et a été nommée d'après le...) (6,626×10-34J s).

De Broglie

En 1924, Louis de Broglie affirma que toute matière (et pas seulement la lumière) a une nature ondulatoire. Il associa la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs qui se...) p d'une particule à une longueur d'onde λ, appelée longueur d'onde de de Broglie :

\lambda = \frac{h}{p}

C'est une généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de concepts ou d'objets en négligeant les détails de façon à ce...) de la relation de Planck-Einstein indiquée ci-dessus, car la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) de mouvement (ou l'impulsion) d'un photon est donné par p = \frac Ecc est la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une...) dans le vide, et \lambda = \frac{c}{\nu} (si on remplace p et ν dans l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre...) de de Broglie, on retrouve l'équation d'Einstein) .

La formule exprimée par de Broglie fut confirmée trois ans après par Clinton Joseph Davisson et Lester Halbert Germer. Ceux-ci dirigèrent un faisceau d'électrons qui, contrairement aux photons, ont une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution...) vers un réseau de diffraction cristallin : les motifs d'interférence attendus purent ainsi être observés. Des expériences semblables ont été entreprises depuis avec des protons et même avec des molécules entières, avec notamment l'expérience d'Estermann et Otto Stern en 1929, et la formule a été confirmée dans tous les cas.

De Broglie reçu en 1929 le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred...) pour son hypothèse, qui influença profondément la physique de cette époque.

La confirmation la plus spectaculaire est celle qui a été faite en 1999 par des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) de Vienne[2], qui ont fait diffracter du fullerène (molécule C60). Dans cette expérience, la longueur d'onde de de Broglie était de 2,5 pm alors que la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) a un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer qu'une...) d'environ 1 nm, soit 400 fois supérieur.

Mise en évidence de la dualité

Figure 1 : Schéma de l'expérience.
Figure 1 : Schéma de l'expérience.

Une des manière les plus claire de mettre en évidence la dualité onde-particule est l'expérience des fentes de Young (Les fentes de Young sont l'objet d'une expérience de physique réalisée en 1801 par Thomas Young qui consiste à diriger de la lumière sur deux petit trous (ou fentes). La...). Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d'abord mis clairement en évidence l'aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule non seulement de la lumière, mais aussi de tout autre objet quantique. Dans la description qui suit, il sera question de lumière et de photons mais il ne faut pas perdre de vue qu'elle est également applicable - du moins en principe - à toute autre particule (par exemple des électrons), et même à des atomes et à des molécules.

Figure 2 : Figure d'interférence observée.
Figure 2 : Figure d'interférence observée.

L'expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme...) percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d'émission lumineuse. Une plaque photographique est placée derrière l'écran enregistre la lumière issue des deux fentes (⇐ voir figure 1).

Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique ce que l'on appelle une figure d'interférence (voir figure 2 ⇒). Cette figure est caractéristique d'un comportement ondulatoire de la lumière (voir l'article interférence). Si l'expérience en reste à ce niveau, l'aspect corpusculaire n'apparait pas.

Figure 4 : Figure d'interférence constituée petit à petit
Figure 4 : Figure d'interférence constituée petit à petit

En fait, il est possible de diminuer l'intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule.

Figure 3 : Expérience avec de
Figure 3 : Expérience avec de "vraies" particules, par exemple des micro-billes.

En effet, si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes (par exemple), donc de "vraies" particules, on n'obtient aucune figure d'interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes (⇐ voir figure 3).

Or, dans le cas des photons, on retrouve la figure d'interférence reconstituée petit à petit, à mesure que les photons apparaissent sur la plaque photographique (figure 4 ⇒). On retrouve donc une figure d'interférence, caractéristique des ondes, en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) qu'un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique.

L'interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d'impacts sur la plaque photographique sont inexplicables; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d'interférence de la figure 2, puis de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s'expliquent aisément, mais la figure d'interférence ne s'explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d'autres interdites à ces particules ?

Force est donc de constater une dualité onde-particule des photons (ou de tout autre objet quantique), qui présentent simultanément les deux aspects.

Interprétation de la dualité

Interférence des ondes de probabilité
Interférence des ondes de probabilité

En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule sont décrits par une fonction d'onde qui code la densité de probabilité (En mathématiques statistiques, on appelle densité de probabilité d'une variable aléatoire X réelle continue une fonction f)[3] de toutes variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un...) mesurable (nommées aussi observable). La position d'une particule est un exemple d'une de ces variables. Donc, avant qu'une observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) soit faite, la position de la particule est décrite en termes d'ondes de probabilité.

Les deux fentes peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent (voir schéma de droite ⇒).

Sur la plaque photographique, il se produit ce que l'on appelle une réduction du paquet d'onde, ou une décohérence de la fonction d'onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) par la fonction d'onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d'autres (franges sombres).

Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu'à ce qu'une observation soit faite, la position d'une particule est décrite en termes d'ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

La manière de conceptualiser le processus de la mesure est l'une des grandes questions ouverte de la mécanique quantique. L'interprétation standard est l'interprétation de Copenhague, mais la théorie de la décohérence est aussi de plus en plus considérée par la communauté scientifique. Voir l'article Problème de la mesure quantique pour une discussion approfondie.

Notes

  1. ab impossible s'entend dans la cadre de la physique " classique " ; les phénomène de création de masse (création d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) électron/positron à partir d'un photon γ), d'annihilation de masse (désintégration) et de fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires...) font justement intervenir la physique quantique.
  2. (en) M. Arndt , O. Nairz, J. Voss-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger,Wave-particle duality of C60, Nature, 1999, vol. 401, p. 680-682 .
  3. c'est à dire la probabilité que la variable prenne une valeur donnée à un endroit et à un instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) donné
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