Ondes et Particules : Une Dualité Insondable

Onde et Corpuscule : l'énigme qui a changé la physique

L'inaccessibilité du monde quantique

Le monde des particules comme l'électron, le photon, le proton, l'atome, n'est pas accessible par nos organes de la perception, y compris le cerveau. Aucune image, aucune interprétation ne saurait représenter le réel du monde quantique, même les mots de notre langage sont approximatifs 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 bien que ce terme est aujourd'hui obsolète car il faudrait parler de champs.

La superposition des états

En mécanique quantique, on entend souvent qu'une particule est à la fois un corpuscule et une onde. En réalité, ce n'est ni un corpuscule ni une onde mais une superposition de tous les états de la particule.

La définition moderne d'une particule quantique

La définition technique dit ceci : Une particule quantique est une entité fondamentale représentant une quantification d'énergie et d'information localisée dans l'espace-temps, régie par les principes de superposition, d'intrication et d'indéterminisme, et décrite mathématiquement par une fonction d'état (vecteur d'état) dans un espace de Hilbert.

En d'autres termes, une particule quantique qui n'est ni un corpuscule ni une onde peut être définie comme une excitation quantifiée d'un champ fondamental décrite par la mécanique quantique et les théories des champs quantiques.

Description moderne de l'expérience appelée les fentes de Young.

Le dispositif expérimental

Les quatre comportements observés

• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

N.B. :
Comment interpréter cette expérience ? 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.

Quand la matière danse : la dualité Onde-Corpuscule décryptée

L'échelle quantique

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. 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.

L'observation et la réduction du paquet d'onde

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.

Si l'on envoie les particules une par une, le plus étonnant est que sur un grand nombre de mesures, à la fin, malgré la réduction du paquet d'onde, on obtient des franges d'interférence.

L'onde de probabilité de Max Born

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 que nous avons le plus de chance de la trouver (après la réduction du paquet d'onde).

Ce qu'il faut retenir

La nature probabiliste du monde quantique

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, arbres, vous, etc.) est faite d'atomes et de particules subatomiques gouvernées par la probabilité et non par la certitude.