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Dualité onde-corpuscule

Comment appréhender la dualité
onde-corpuscule ?

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 04 octobre 2018
Le monde de l'extrêmement petit (monde des particules comme l'électron, le photon, le proton, l'atome, etc.) n'est pas accessible par nos organes de la perception, cerveau compris.
Aucune image, aucune interprétation ne saurait représenter le réel du monde quantique, même les mots de notre langage sont aproximatifs pour décrire les phénomènes quantiques.
Tout ce que l'on peut dire et montrer de cette réalité est faux mais je vais quand même essayer de vous donner une idée de ce concept fondamental de la physique quantique qu'est la dualité onde-corpuscule.
En mécanique quantique, il semble qu'une particule soit à la fois un corpuscule et une onde, ce n'est pas la seule bizarrerie mais les autres (superposition quantique, intrication quantique ou encore non-localité) découlent de celle-là.
Ce que nous dit cette assertion c'est que toute particule élémentaire peut être vue comme un corps solide concret mais aussi comme une onde qui est un concept abstrait, il y a là un paradox.
L'état d'une particule décrit tous les aspects de cette particule, c'est à dire l'ensemble des connaissances (vitesse, moment cinétique, position, énergie, etc.), que nous pouvons obtenir sur la particule si on fait des mesures expérimentales sur elle.
Alors regardons ce que nous dit la fameuse expérience appelée les fentes de Young.
La vidéo ci-contre décrit cette expérience de façon moderne.
 1 - Lorsqu'on envoie des corpuscules (solides) sur un mur troué de deux fentes, chaque corpuscule passe par une ou l'autre fente, rebondissent dans tous les sens et des points d'impact marquent l'écran un peu n'importe où, derrière les fentes.
2 - Lorsqu'on envoie une onde sur ce même mur, l'onde passe par les deux fentes et le passage par les fentes crée deux petites vagues qui vont se superposer, à certains endroits elles s'additionnent et à d'autres elles s'annulent, des franges d'interférences apparaissent sur l'écran.
3 - Lorsqu'on envoie un objet quantique, il passe par les deux fentes, il interfère comme une onde mais quand il touche l'écran, il se réduit soudain en un point, plutôt là où les deux petites ondes s'additionnent. Au bout d'un grand nombre d'essais il apparait à la fois des impacts comme avec les corpuscules et des franges d'interférences comme avec des ondes.
4 - Mais si on ajoute un observateur pour savoir par quelle fente la particule passe, l'onde se réduit maintenant en un corpuscule au niveau des fentes et ne passe que par une fente à la fois. On mesure alors sur l'écran des points d'impact et non des interférences.
L'observateur a modifié l'expérience par sa présence !
Si on veut déterminer l'état d'un système quantique, il faut l'observer mais cette observation a pour effet de détruire l'état en question.
 

Cette vidéo de vulgarisation du site Tout est quantique est une interprétation moderne de la dualité onde-corpuscule.

Comment interpréter cette expérience ?

    
L'échelle de la physique quantique est si petite qu'il est impossible de voir un objet quantique comme on voit une vague ou un ballon sur une plage.
Par exemple, la taille d'un atome d'hydrogène est de 53 pm (53 x 10-12 mètre), on peut aligner 10 millions d'atomes sur un millimètre.
Donc voir pour un physicien, ce n'est pas voir mais mesurer ou détecter quelque chose en s'appuyant sur des outils qu'il a construits.
L'expérience de Young nous montre que lorsqu'on mesure un objet quantique ça change sa nature. Parfois c'est un corpuscule parfois c'est une onde et en plus, cela dépend de l'appareil de mesure ou de l'observateur.
Ce que nous dit aussi l'expérience des fentes de Young c'est que, lorsque l'objet quantique est libre de tout environnement, il se présente comme une onde. Mais si l'environnement (écran, mur, observateur ou même molécules d'air) l'oblige a interagir, l'objet ou plutôt son énergie se réduit soudainement en un point et prend l'apparence d'un corpuscule.
On remarque sur l'écran que le front d'onde ne se réduit pas n'importe où, il se réduit là où l'onde est intense, c'est à dire sur les crêtes ou les creux. En d'autres termes, la probabilité de réduction est plus importante en haut et en bas de la vague que sur les pentes. Elle est même nulle à l'endroit où les vagues sont en opposition de phase. Le plus étonnant est que sur un grand nombre de mesures, si l'on envoie les particules une par une, à la fin, malgré la réduction du paquet d'onde, on obtient des franges d'interférence.
 Une explication a été proposée en 1927 par Max Born (1882 − 1970).
La particule est une onde de probabilité.
Cette définition terrible montre la difficulté que l'on rencontre lorsqu'on veut parler d'objets quantiques.
En termes plus simples, c'est l'amplitude d'une onde à une position donnée qui prédit la probabilité, que la particule se trouve à cette position. Une amplitude élevée ne veut pas dire que c'est là que se trouve la particule, mais c'est là qu'on a le plus de chance de la trouver (après la réduction du paquet d'onde).
En résumé :
En mécanique quantique, on ne peut pas savoir si la particule se trouve à un endroit précis de l'espace, mais quelle est la probabilité qu'elle s'y trouve.
Elle aura une position que si elle doit interagir avec l'environnement, avant elle n'a pas de position, elle est partout et sa nature est ondulatoire. Exactement comme un photon émis par une étoile. Alors qu'il a voyagé librement pendant des millions d'années, en tant qu'onde, il va mourir en atteignant votre rétine avec lequel il interagira.
Les équations de la mécanique quantique s'avèrent étonnamment précises dès lors que l'on accepte qu'il s'agit de probabilité.
Toute la matière qui constitue l'univers (étoiles, planètes, vous, moi) est faite d'atomes et de particules subatomiques gouvernées par la probabilité et non par la certitude.
 Atomes de fer vus par un microscope à effet tunnel

Image : Sur cette image d'environ 5 millionième de millimètre on peut compter 48 atomes de fer qui se comportent comme des ondes.
En réalité, on ne voit pas des atomes mais la représentation imagée dans le visible que l'oeil peut interpréter, de la mesure de très petits courants électriques passant par la pointe d'un microscope à effet tunnel se déplacant au dessus des atomes.
© IBM Almaden Visualization Lab

L'expérience des deux fentes de Thomas Young (1773-1829) date de 1821. C'est une expérience de physique qui consiste à faire interférer deux faisceaux de lumière issus d'une même source.
Cette expérience faite avec des photons a été réalisée depuis avec toutes les particules. Avec des électrons dans les années 1920, avec des neutrons dans les années 1950, avec des atomes dans les années 1980 et avec des molécules dans les années 1990.
Toutes les particules microscopiques montrent des aspects quantiques et sont susceptibles d'interférer comme dans l'expérience de Young.

La mécanique quantique décrit les phénomènes physiques fondamentaux à l'œuvre à l'échelle atomique et subatomique.
Elle fut développée au début du XXe siècle par une dizaine de physiciens dont Planck, Einstein, Heisenberg, Bohr, de Broglie, Schrödinger, Feynman, Dirac, afin de résoudre différents problèmes comme le rayonnement du corps noir, l'effet photo-électrique, ou l'existence des raies spectrales.
La mécanique quantique se montra si féconde qu'elle résolut le mystère de la structure de l'atome. Elle décrit aussi le comportement des particules élémentaires et constitue le socle de la physique moderne.

Une interférence est une superposition de deux phénomènes vibratoires de fréquences voisines.
Les interférences sont la combinaison de deux ondes susceptibles d'interagir (ondes lumineuses, ondes électromagnétiques, ondes sonores, etc.).
Comme les vagues, les ondes se scindent et se combinent.
Lorsqu'une vague traverse deux fentes, elle se scindent d'abord en deux puis les deux vagues résultantes se rencontrent puis les crêtes et les creux se combinent. Deux crêtes qui se rencontrent forment une crête plus grande, deux creux qui se rencontrent forment un creux plus grand et quand une crête et un creux se rencontre, ils s'annulent. Les crêtes et les creux créent une succession de bandes, c'est ce que l'on appelle une figure d'interférence.

           
           
 
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