Dualité onde corpuscule en quantique 3


La dualité onde corpuscule est une notion fondamentale de la mécanique quantique qui stipule que n'importe quel objet physique peut présenter les propriétés d'ondes ou de particules. Effectivement, on a l'habitude de considérer la lumière comme des ondes électromagnétiques ou comme des photons suivant le phénomène que l'on étudie. Cette vision vient du fait que la lumière n'est ni une onde, ni un déplacement de particules mais l'un ou l'autre suivant la manière dont on l'observe.

Cette dernière phrase peut vous paraître tordue mais laissez moi vous l'expliquer plus clairement par une expérience réalisée de très nombreuses fois avec de la lumière.

Avant de lire cet article, je vous suggère de lire mon article sur les ondes.

L'expérience des fentes de Young en mécanique quantique

Cette expérience a été mise au point en 1801 par Thomas Young et a permis de mettre en évidence le phénomène de diffraction de la lumière. Le schéma de cette expérience est très simple. Nous avons une source lumineuse qui émet de la lumière en continu, sur le chemin de la lumière se trouve un obstacle opaque percé de deux trous très fins très proches. Apres cet obstacle se trouve un écran ou capteur CCD qui permet d'enregistrer la lumière diffractée afin de l'étudier sur ordinateur.

[« Fentesdyoung » par Original téléversé par Pierre 31 sur Wikipedia français — Pierre CHEVALIER. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fentesdyoung.jpg#/media/File:Fentesdyoung.jpg]

En S se trouve la source lumineuse monochromatique en général un laser. En S1 et S2 se trouvent les fentes dont la largeur est de l'ordre de la longueur d'onde de la source et leur distance entre elles également. [« Fentesdyoung » par Original téléversé par Pierre 31 sur Wikipedia français — Pierre CHEVALIER. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fentesdyoung.jpg#/media/File:Fentesdyoung.jpg]

Pour étudier les propriétés duales de la lumière, on va considérer que la source lumineuse est monochromatique, c'est à dire que la lumière émise n'est composée que d'une seule longueur d'onde.

Expérience des Trou d'Young. La lumière passe par deux petites fentes. Elle se diffuse de l'autre côté et interfère. On observe ensuite le résultat sur un écran.[« Double slit simulated 2 ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated_2.jpg#/media/File:Double_slit_simulated_2.jpg]

Expérience des Trou d'Young. La lumière passe par deux petites fentes. Elle se diffuse de l'autre côté et interfère. On observe ensuite le résultat sur un écran.[« Double slit simulated 2 ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated_2.jpg#/media/File:Double_slit_simulated_2.jpg]

La lumière qui passe par la première fente fine est diffractée et interfère avec celle qui passe par la seconde fente fine. Le résultat de ces interférences est une figure de diffraction sur l'écran caractéristique des propriétés ondulatoires de la lumière.

Figure de diffraction observée à l'écran. [« Double slit simulated ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated.jpg#/media/File:Double_slit_simulated.jpg]

Figure de diffraction observée à l'écran. [« Double slit simulated ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double_slit_simulated.jpg#/media/File:Double_slit_simulated.jpg]

On observe sur la figure de diffraction des zones lumineuses correspondant aux interférences constructives et des zones sombres correspondant aux interférences destructives. Tout semble montrer que la lumière est une onde mais rien n'empêche de nous dire que la lumière est en fait constituée d'une grande quantité de photons et que la figure d'interférence observée à l'écran est due aux nombreuses collisions entre les photons...

L'expérience des fentes de Young avec une source lumineuse monochromatique "normale" ne permet donc pas de dire si la lumière est composée de grains indivisibles ou d'ondes. Effectuons une variante de cette expérience.

Nous allons maintenant changer de source lumineuse et en prendre une qui permet d'envoyer contre les fentes un seul photon à la fois. Notre intuition nous laisserait penser que le photon passerait soit par la première fente, soit par la seconde fente et donc la figure observée à l'écran après avoir envoyé un grand nombre de photons ressemblerait à deux bandes lumineuses.

Voici le résultat classique de l'expérience des fentes de Young à un photon. Ce résultat ne représente pas la réalité.

Voici le résultat classique de l'expérience des fentes de Young à un photon. Ce résultat ne représente pas la réalité.

Voici la figure obtenue sur l'écran lorsque l'expérience est réalisée avec des photons.

[« Doubleslitexperiment results Tanamura 1 » par Dr. Tonomura. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Doubleslitexperiment_results_Tanamura_1.gif#/media/File:Doubleslitexperiment_results_Tanamura_1.gif]

Ces 4 figures représentent des photons qui sont détectés par les pixels du capteur CCD. Lorsqu'un photon arrive sur un pixel, celui-ci envoie l'information au système qui répond en le représentant par un point blanc. En (a) on observe le cas ou peu de photons ont été envoyés sur l'écran, on y voit rien en particulier. En (b) et (c) on envoie une quantité plus importante de photons et on observe une figure vaguement organisée. Enfin en (d), la quantité de photons envoyés est très importante et on voit apparaître une figure de diffraction caractéristique du caractère ondulatoire de la lumière.  [« Doubleslitexperiment results Tanamura 1 » par Dr. Tonomura. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Doubleslitexperiment_results_Tanamura_1.gif#/media/File:Doubleslitexperiment_results_Tanamura_1.gif]

La figure d'interférence est reconstituée, les propriétés ondulatoires de la lumière sont donc mises en avant. Et cette fois, il n'est plus possible de dire que cette figure vient des collisions entre photons puisqu'ils ont été émis un par un. Étrange non ? 🙂

En réalité, en mécanique quantique, toute particule est associé à un objet mathématique que l'on appelle fonction d'onde et qui donne des informations sur la probabilité de présence de la particule.

Voici un exemple de fonctions d'ondes de l'atome d'hydrogène. Les taches colorées représentent la probabilité de trouver l'électron en un endroit donné suivant l'échelle de couleur. Cette probabilité dépend des niveaux d'énergie de l'électron d'où la présence de plusieurs schémas pour représenter la fonction d'onde de l'atome d'hydrogène. [« Hydrogen Density Plots » par PoorLeno (talk) — the English language Wikipedia (log).Original text: I created this work entirely by myself. References:Forinash, Kyle. Hydrogen W Simulation. Indiana University Southeast. Retrieved on 2008-12-18.Tokita, Sumio; Sugiyama, Takao; Noguchi, Fumio; Fujii, Hidehiko; Kobayashi, Hidehiko (2006). "An Attempt to Construct an Isosurface Having Symmetry Elements". Journal of Computer Chemistry, Japan 5 (3): 159–164. DOI:10.2477/jccj.5.159.. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydrogen_Density_Plots.png#/media/File:Hydrogen_Density_Plots.png]

Voici un exemple de fonctions d'ondes de l'atome d'hydrogène. Les taches colorées représentent la probabilité de trouver l'électron en un endroit donné suivant l'échelle de couleur. Cette probabilité dépend des niveaux d'énergie de l'électron d'où la présence de plusieurs schémas pour représenter la fonction d'onde de l'atome d'hydrogène. [« Hydrogen Density Plots » par PoorLeno (talk) — the English language Wikipedia (log).Original text: I created this work entirely by myself. References:Forinash, Kyle. Hydrogen W Simulation. Indiana University Southeast. Retrieved on 2008-12-18.Tokita, Sumio; Sugiyama, Takao; Noguchi, Fumio; Fujii, Hidehiko; Kobayashi, Hidehiko (2006). "An Attempt to Construct an Isosurface Having Symmetry Elements". Journal of Computer Chemistry, Japan 5 (3): 159–164. DOI:10.2477/jccj.5.159.. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydrogen_Density_Plots.png#/media/File:Hydrogen_Density_Plots.png]

Revenons sur notre expérience des fentes de Young à un photon. Lorsque celui-ci est envoyé, il passe soit par la première fente, soit par la seconde fente. Afin de savoir par quelle fente les photons vont passer, on met un détecteur derrière la première fente et on observe la figure à l'écran. Si le détecteur détecte le photon, c'est qu'il est passé par la fente ou est placé le détecteur, sinon c'est qu'il est passé par l'autre fente.

Nous constatons qu'il y a qu'une seule bande lumineuse qui n'est pas le résultat d'une interférence. Les électrons qui sont passés par la deuxième fente semblent avoir parcourus un chemin "classique"

Nous constatons qu'il y a qu'une seule bande lumineuse qui n'est pas le résultat d'une interférence. Les électrons qui sont passés par la deuxième fente semblent avoir parcourus un chemin "classique"

La figure observée n'est pas une figure d'interférence, on y voit une simple bande lumineuse. En résumé, lorsque l'on sait par quelle fente passent les photons, nous n'observons pas de figure d'interférence. Si en revanche nous ne savons pas par quelle fente ils passent, une figure d'interférence se forme.

Cette seconde expérience met en avant un second principe fondamental de la mécanique quantique. L'observation influe sur les résultats. Dit autrement, à chaque particule est associée une fonction d'onde qui est reliée à sa probabilité de présence dans l'espace. Le fait d'effectuer une mesure sur cette particule nous donne un résultat certain, la fonction d'onde disparaît. Au moment de la mesure, on connait la position exacte de la particule (on sait par exemple si le photon est passé par la première fente ou par la seconde fente), on parle de décohérence ou de réduction du paquet d'onde (à partir du moment ou on sait par quel fente est passé le photon, celui ci devient "déterministe" et on sait ou il va s'écraser sur l'écran).

Je vous ai donné un exemple avec le photon mais sachez qu'il est également possible de réaliser cette expérience avec des électrons ou même avec des neutrons et bien d'autres particules dont les dimensions sont suffisamment petites pour présenter des propriétés quantiques.

J'ai récemment eu la chance d'assister à une conférence de Alain Aspect, un physicien de renom dans le domaine de la mécanique quantique pour avoir résolu le paradoxe EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). Il y a présenté les travaux qu'il a réalisés avec son premier étudiant de thèse Philippe Grangier en 1985. Je vous conseille vivement de regarder sa conférence qui est très instructive et qui présente une expérience similaire à celle des fentes de Young afin de déterminer la nature de la lumière.

 

La dualité onde corpuscule soulève de très nombreuses questions en physique quantique et ouvre la voie à des phénomènes bien plus étranges et complexes qui seront sujet à de nouveaux articles un peu plus tard. En attendant, si vous avez aimé n'hésitez pas à me laisser un commentaire et à partager cet article ! 🙂

Vous aimerez surement : Les neutrinos ont une masse, c'est sur ! 

 

 

 


A propos Loann Brahimi

Je suis étudiant en Master Cosmos, Champs et Particules à l'université de Montpellier. Ce blog est une manière de transmettre ma passion, une façon d'aider ceux qui voudraient faire de la physique leur gagne pain et de créer un engouement autour de cette science mal comprise.


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3 commentaires sur “Dualité onde corpuscule en quantique