La dualité onde-corpuscule est un phénomène assez abstrait et surtout très mal compris par les non-spécialistes. Vous avez sûrement déjà entendue que le lumière se comporte comme une onde et comme une particule. Ici, rien de bien difficile. Cependant, j'ai fréquemment lu, sur internet comme sur des livres, ces phrase: "La lumière est à la fois une onde et une particule" ou "La lumière se comporte comme une onde ou comme un corpuscule par rapport au contexte" ou encore "La lumière s'adapte par rapport à l'observation effectuée". Ces phrases ne sont, à proprement parlé, pas fausses. Elles sont justes (très) mal tournées. Et c'est à cause de ces tournures de phrases assez maladroites que la dualité onde-corpuscule est mal comprise. En réalité, il ne faut tout bonnement pas chercher une représentation mentale à ce phénomène, comme pour la plupart des phénomènes quantiques. Auquel cas vous ne comprendrez rien au phénomène car vous ne ferez qu'essayer de l'imaginer. Il y a une choses fondamentale, évoquée par Feynman, disant" Personne ne comprends la physique quantique. Si vous croyez la comprendre, alors vous ne la comprenez pas".Et cela est d'autant plus notable pour ce phénomène en particulier...Bref. Nous voilà plongés dans un des plus grands problème scientifique du XIXème siècle. Il fut mené par Max Planck, James Maxwell et Louis de Broglie (prononcez Louis de "Breuil").
Commençons par énoncer quelques principes et éloigner quelques autres idées reçues. Il y a deux points importants, dans la compréhension du phénomène. Pourtant relativement simples, il sont souvent très abstraits pour beaucoup. Ils sont la représentation mentale que l'on se fait d'une particule élémentaire et d'une onde. Il faut essayer de quitter cette notion de "bille" pour ce qui est des particules. Effectivement, une particule n'est pas, à proprement parlé, une bille minuscule. Certes cela est facile à se représenter, mais c'est une représentation fausse de la réalité. Une particule est,plus ou moins, (nous sommes en vulgarisation donc ce que j'explique reste très vague mais est un peu plus juste et précis qu'une bille) une concentration d'énergie dans un point donné. Si vous ne parvenez pas à quitter cette idée de bille, imaginez au moins une bille d'énergie. Je tiens à prévenir lecteurs et spécialistes que cette notion n'est, j'en suis conscient, pas vraiment juste...mais déjà un peu plus qu'une bille et suffisante pour appréhender le phénomène.
Mathématiquement parlant, et c'est ici très simple, une particule possède une position. Peu importe si c'est une bille ou de l'énergie, une particule a une position bien à elle.
Pour l'onde, ce n'est pas bien difficile à se représenter. Pour une fois,l'idée que l'on a d'une onde est à peu près justes. Seul certains points, dont un en particulier,est à revoir. Pour se représenter une onde, on a tendance à utiliser comme exemple la forme qu'adopte les vagues sur l'eau. Cela est un assez bon exemple en réalité. Mais une idée, pourtant assez évidente, peut facilement être détournée. Que l'on soit clair. Une vague n'est pas une onde, c'est la manifestation d'une onde...j’espère que c'est bien clair...
Mathématiquement parlant, une onde, c'est à peu près l'inverse d'une particule. Elle n'a pas de positions apparente. ce qui est d'ailleurs assez contradictoire avec notre façon de "voire" les choses...mais soit. Quel est le problème?
Le problème, c'est cette expérience réalisée en 1801 par le célèbre Thomas Young: "les fentes de Young".
L’expérience, en soit, est simple. c'est son interprétation, mathématique et mentale, qui pose problème.
Elle consiste à envoyer des faisceaux de lumière sur deux fentes, successivement une première fois, puis en même temps la seconde.
La première fois,donc, on envoie successivement deux faisceaux dans une même fente.On commence par boucher le fente du bas, ce qui nous donne comme résultat:
Le résultat englobant les 2 expériences est le suivant:
En ouvrant les deux fentes en même temps, les résultats ne concordent pas avec l'expérience précédente...comment cela est-ce possible? Pour comprendre, nous devons d'abord revoir certaines propriétés d'une onde.
Une onde adopte la forme d'une vague, une sorte de bosse suivie par un creux...
Ces bosses et ces creux peuvent varier de taille. Il peuvent aussi renter en contact avec des creux ou des bosses provenant d'une autre onde du même genre. Ainsi, quand un faisceau de lumière en rencontre un autre, des transformations se font entre ses différents creux et bosses. Lorsque une bosse rencontre un creux, ils s’annulent. Dans le cas ou l'un des deux est plus grand, il l’emporte mais sa taille est réduite par la différence entre lui et son obstacle. Lorsque 2 bosses se rencontrent, elles s'additionne pour donner une onde d’autant plus grande, et il en va de même pour les creux:
Vous pouvez vous rendre compte du phénomène en essayant avec une corde. Faites de petits gestes vers le haut ou vers le bas pour former un bosse ou un creux de chaque côtés de la corde et ceux-ci se comporteront de la sorte.
Bref. Revenons à notre expérience. Une onde réagit assez spécialement lorsqu'elle rentre en contact avec un mur. En tout, différemment d'un corpuscule. Effectivement, en passant dans les fentes, l'onde se décompose en deux nouvelles ondes:
Bien. Le problème est alors facilement résolu. J'ai dit précédemment que lorsque une onde en rencontre une autre, creux et bosses s'annule ou s'additionne. C'est ici ce phénomène qui rentre en jeux. Les deux nouvelles ondes vont s'additionner ou se soustraire de par la superposition de leur creux ou de leur bosses. Ces résultats en sont démonstratifs:
Au centre se trouve en fait l'endroit ou les ondes sont les plus grandes qui, en s'additionnant, en forme d'autant plus grandes. Contrairement aux cotés qui sont eux aussi le résultat d'additions mais les ondes additionnées sont bien plus petites... Il en va de même pour les creux mais sont bien moins visibles puisque l'écran ne les perçoit pas...a ce stade, tout va encore bien. On a entièrement réussi à démonter et interpréter ces résultats. Cependant, il y a un problème...Ne le voyez-vous pas? Comparons les résultats de l'expérience.
Lorsque l'on bouche une des fentes, le résultat est le suivant:
Puis lorsque l'on laisse les deux fentes ouvertes en même temps on obtient cela:
Les résultats ne sont pas les mêmes, nous le savons déjà...Cependant, en reprenant le résultat de la première expérience, on se rend compte que la lumière se comporte comme des millions de corpuscules (ou particules) . Effectivement, on peut interpréter le premier résultats comme tel. Les corpuscules sont envoyés assez aléatoirement dans les deux fentes et formes ainsi deux rectangles parallèles. Les autres rebondissent simplement sur le mur.
Or dans la seconde expérience, on parle de la lumière comme une onde! Mais alors, la lumière est une onde ou des millions de corpuscules? C'est ce problème, la dualité onde-corpuscule...
On pourrait commencer par essayer d'interpréter les 2 résultats avec uniquement l'un des deux aspects. Ce qui malheureusement ne marche pas... En ouvrant les deux fentes, et en voyant la lumière comme des corpuscules, on ne parvient pas à expliquer le phénomène...Les résultats devrait être exactement les mêmes qu'avec l'une des deux fentes bouchées...la lumière ne peut donc qu'être une onde. Eh bien là aussi, ça ne marche pas. En bouchant une des deux fentes le résultat devrait être le suivant si la lumière était une onde:
Ici encore, ce n'est pas en accord avec l'expérience...Voilà le problème...il est impossible de dire si la lumière est une onde ou des corpuscules.James Maxwell était persuadé que la lumière était une onde. Et ces équations, qui concordent parfaitement à la réalité, la démontre de la sorte.
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| James Maxwell |
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| Max Planck |
Nous savons maintenant que la lumière n'est ni l'un, ni l'autre... Du moins certainement pas une onde... Pour vaguement comprendre, on peut prendre l'exemple d'un cylindre. En 2D, on peut le voire de deux manières différentes. Un cercle ou un carré.
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| source:http://www.savoirs.essonne.fr |
Bref. Laissons les cordes de coté et revenons à notre dualité. Comme je vous l'ai dit auparavant, la lumière n'est peut-être ni un corpuscule, ni une onde mais certainement pas une onde. Pourquoi ne pas en dire de même pour un corpuscule ? Une onde ne peut se comporter que d'une certaine manière (voire plus haut). Un corpuscule, lui, a de bien plus nombreuses possibilités. Pourquoi? Simplement par ce qu'une onde est une "chose" contrairement au corpuscules qui, dans un faisceau lumineux ou dans une "onde" quelconque, sont en très grand nombre. Il y a en fait une théorie tentant d'expliquer les fentes de young, et, pour le cas approuvée et franchement bien pensée. Elle stipule que la lumière (et toutes autres "ondes") seraient en fait des millions de corpuscules; mais réagissant à une onde de probabilité. Pour faire simple, lorsque la particule traverse les deux fentes et rentre en contact avec l'écran, elle a plusieurs "choix" d'emplacement. Certains choix sont plus probables que d'autres. Prenez par exemple un photon, qui devrait "choisir" entre un emplacement A et un emplacement B.
On part du principe qu'il "choisit" l'emplacement B.
Il aurait tout aussi bien pu choisir l'emplacement A. En fait, il y a 50% de chances qu'il "choisisse" l'emplacement B et 50% de chances qu'il "choisisse" l'emplacement A.
Mathématiquement, on préfère utiliser les fractions lorsqu'il est question de probabilité (symbolisée par un P= la fraction correspondante).Soit:
On écrit: PA= 1/2 et PB=1/2.
Bien sûr, le photon ne "choisit" pas son emplacement, il n'a aucune conscience...c'est le hasard qui lui attribue cette place.
A plus grande échelle, lorsqu'il y a plus de photons, on peut faire allusion à un fait de la théorie des nombres. Supposons que l'on dénombre les photons à plusieurs milliards (comme dans un faisceau lumineux), le hasard va faire qu'il y aura un nombre presque égal de photons dans les 2 emplacement. La différence entre ces deux emplacements sera si infime qu'elle en deviendra négligeable. Faites-en vous même l'expérience si vous le voulez: lancez un dés 12 fois. A ce stade, il est rare que le dé ait montré les 6 faces autant de fois. La différence peut même être énorme. Lancez maintenant le dé 120 fois. Vous verrez alors que la différence commencera à réduire. Enfin, si vous en avez le temps, lancez-le 1200 fois. Ici, la différence sera d'autant plus minime et ainsi de suite...c'est ce qu'explique la théorie des nombres. Pour nos photons, la probabilité, même soumise au hasard peut être considéré comme le nombre exact de photons qui atteindront l'écran. Si les photons avait une plus grande probabilité d'arriver sur le point A, la théorie des nombres fera que le nombre de photons qui "choisiront" le point A sera le même que celui dicté par la probabilité. Prenez le cas ci dessous:
Les photons ont une plus grande probabilité de le choisir. On en lance 10, et 7 arrivent sur le point A, tandis que 3 arrivent sur le point B.
Les probabilités n'ont pas données le nombre juste de photons. On en lance maintenant un milliard,et le nombre de photons commence à approcher des probabilités:
Voyez, la différence en devient infime. Et plus on en enverra, plus elle réduira. Voilà pour ce qui est de la théorie des grands nombres. Rendez-vous compte, nous calculons le hasard! Bref, revenons à nos photons et à notre expérience des deux fentes. Louis de Broglie (dire: "Louis de Breuil") a défendu la théorie de l'onde de matière; où les particules régissent à une onde de probabilités. Cette onde détermine les probabilités de l'endroit où iront les particules. Et de fait, elle se comporte comme une onde! Ce qui permet d'unifier les 2 expériences! En revenant aux creux et aux bosses, lorsqu'ils s'additionnent, ils additionnent aussi leur probabilités. Et lorsqu'ils se soustraient, ils soustraient leur probabilités!Prenez comme exemple:
De par cette théorie, et celle des grands nombres; les résultats de l'expérience sont compatibles! C'est à ce jour la théorie la plus plausible en faveur de la dualité onde-corpuscule. Cependant, Louis de Broglie n'a pas utilisé comme support des photons mais des électrons pour démonter ses propos. Mais cela n'a (normalement) pas d'importance.
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| Louis de Broglie |
D'ailleurs, de Broglie est un des rares savants français à avoir apporté des notions à la physique quantique. La plupart des scientifiques y ayant participé sont allemands...comme Heisenberg, Schrodinger ou encore Planck.😞
Voilà pour ce qui est de la dualité onde-corpuscule. J’espère avoir été clair et ne pas m'être trop éloigné de la "réalité mathématique"... Cependant, cette théorie est encore incertaine et peut facilement être réfuté par une nouvelle expérience...Et ne croyez pas en avoir fini avec les inconnus et les problèmes à ne pas en finir. Car avant de rencontrer l'écran, il est impossible de savoir l'emplacement et/ou la vitesse de la particule...c'est le principe d'incertitude.
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