Physique Quantique/
Quantum Physics

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La dualité onde-particulaire

Maintenant que vous avez réussi votre Physique quantique 101 (Vous avez manqué cette page? Pas de problème, consultez Physique quantique 101 avant de commencer pour vous aider!), vous êtes prêts à passer à une prochaine étape. Vous comprendrez les pages suivantes, et ce, peu importe l'ordre dans lequel vous les lirez, en autant que vous ayiez commencé par Physique Quantique 101. Bonne lecture! 

Table des matières:


Introduction


Les particules


Les plaques photo-électriques d'Einstein


Les ondes


Les fentes de Young


Mais que sont-ils vraiment?

La dualité onde-particulaire (ou dualité onde-corpusculaire) est un concept très important dans la physique quantique. En fait, pour comprendre la dualité onde-particulaire, il est très important de comprendre ce que sont les particules. Si vous êtes déjà familier avec ce concept, passez à la section "Mais que sont-ils vraiment?"

Les particules


  Habituellement, nous pensons aux particules subatomiques en tant que ... particules! Et puisque personne n'a jamais vu une particule, nous comptons sur notre imagination pour nous créer une image mentale. Comme nous avons tendance à associer les choses que nous connaissons aux choses que nous ne connaissons pas, la majorité des gens imaginent les particules comme de petites planètes, puisqu'on entend souvent parler des électrons orbitant autour du noyau comme des petites planètes, ou comme des petites billes. En fait, ce n'est pas ce dont les particules ont l'air (les physiciens n'ont jamais "vu" une particule puisqu'elles sont trop petites pour être vues même avec le plus puissant des microscopes, mais ils savent que ce ne sont pas des petites sphères parfaites). Toutefois, dans le but de garder les choses simples et accessibles, continuez à penser aux petites "billes" pour l'instant. Nous connaissons le concept des particules depuis le temps des Grecs Anciens (c'est d'ailleurs d'eux que nous retenons l'idée des billes!), mais depuis cette époque, l'idée que nous avons des particules a beaucoup changé. (Pour plus d'information sur l'histoire des particules, vous pouvez consulter les livres dans la section Sources.)

Les particules sont comme des petits points dans l'espace. Elles n'ont pas de volume. Ceci est très important à saisir. Pensons à une bille. Parce que c'est une sphère parfaite, sa longeur, sa hautaur et sa profondeur sont égales. Par exemple, prenons une bille de 2cm x 2cm x 2cm et mettons-la dans un plan cartésien. Le bas de la bille se trouve à 0 su l'axe "y", 1 sur l'axe "x" et 1 sur l'axe "z" (en assumant que la graduation est égale à 1 cm sur chaque axe). Sur l'image (gauche), cette situation est représentée graphiquement en deux dimensions (on y voit les axes "X" et "Y"). Ceci est dû au fait qu'il est très difficile de représenter trois dimensions en dessin (deux dimensions). Dans la vraie vie, chaque point sur ou dans la bille aurait une coordonnée (x, y, z). De cette manière, le bas de la bille serait à (1, 0, 1) plutôt que (1, 0), mais cela n'est pas très important pour l'instant. Si nous plaçons aussi une particule dans ce même plan cartésien, elle n'aura qu'une coordonnée (x, y, z). La particule entière se trouve à cet endroit précis. Ceci peut être un peu difficile à concevoir (si vous éprouvez de la difficulté à le faire, vous êtes normal!), mais soyez tenace! Vous vous y habituerez. Dans notre vie, tout a un volume. C'est pour cette raison que nous éprouvons de la difficulté à imaginer quelque chose sans volume. Même le plus petit point sur une feuille de papier a du volume, mais les particules n'en ont pas. Je peux rapetisser une bille autant que je peux, elle ne pourra jamais avoir les propriétés d'une particule, parce qu'elle aura toujours plusieurs coordonnées (x, y, z) uniques, aussi rapprochées soient-elles, tandis qu'une particule n'en a qu'une. Mais certains d'entre vous se demandent peut-être comment une particule peut avoir une masse si elle n'a pas de volume ... et comment des particules différentes peuvent avoir des masses différentes si elles aucune n'a de volume. Et bien, la réponse est que les physiciens ne sont pas certains! Ils pensent que cet effet serait peut-être dû à l'interaction avec le champ de Higgs (et oui, c'est bien relié à ce fameux Boson de Higgs, consultez la nouvelle dans la section Actualités pour en apprendre plus), mais ce n'est pas si important pour l'instant. Ce que vous devez vraiment retenir, c'est que les particules peuvent avoir une masse. Souvent, nous confondons la masse et le volume. Par exemple, lorsque nous qualifions quelque chose de "massif", nous voulons vraiment dire que cette chose a un grand volume. Mais la masse est indépendante du volume. Pensez à la masse comme la quantité de "matière" dans un objet. Prenons deux billes: la première est faite de bois, la deuxième est faite d'or (ce qui en fait une bille très dispendieuse!). 

Les plaques photo-électriques d'Einstein

  

    Maitenant que nous savons qu'est-ce que sont les particules, il nous reste à "prouver" leur existence. En fait, si nous ne pouvons ni les toucher, ni les sentir, comment pouvons-nous savoir qu'elles ne sont pas qu'un concept inventé par des physiciens qui n'existe pas vraiment dans la vraie vie? C'est Albert Einstein qui nous apporte la réponse à cette énigme. L'une de ses inventions, la plaque photo-électrique, semblerait "prouver " l'existence des particules. En fait, ces plaques qui transforment la lumière en électricité (et oui, c'est le principe derrière les fameuses plaques solaires!). Cette lumière, qui est absorbée par la plaque, n'arrive pas en continu, mais plutôt en petits paquets. C'est un peu comme la différence entre de l'eau versée d'un bocal et de la pluie. Ces petites gouttes de pluie, ou ces petits paquets ont été interprétés par les scientifiques comme étant des photons, les petites particules composant la lumière. Ceci, jumelé à d'autres preuves, a été la preuve de l'existence des particules pour la communauté scientifique.

Les Ondes


Les ondes font partie intégrale de notre vie de tous les jours, sans que nous ne nous en rendions compte. Que ce soit dans l'eau, dans la lumière ou pour  le son, nous en voyons et en entendons quotidiennement. Par contre, elles existent aussi au niveau quantique et elles ont une grande influence sur ce monde. Il y a deux types de propagation des ondes, les ondes transversales et les ondes longitudinales. De plus, il y a deux types d'ondes, les ondes mécaniques et les ondes électromagnétiques.

L'image (gauche) représente une onde transversale. La partie la plus basse de l'onde se nomme le creux, la partie la plus haute, la crête. La distance entre deux crêtes ou deux creux consécutifs est une longeur d'onde et on utilise la lettre grecque «lambda» pour l'identifier. Les ondes mécaniques ont besoin de matière pour se propager tandis que les ondes electromagnétiques ne nécessitent pas de matière pour se propager et peuvent se propager dans le vide. C'est pour cette raison que la lumièreest considérée comme une onde électromagnétique: elle se propage dans le vide. (Si vous vous dites "ATTEDS! La lumière n'était-elle pas une particule?" Vous avez raison. Nous y arrivons dans unen minute!). 

 Quand deux ondes se rencontrent, elle créent ce que nous appelons un patron d'interférence. Si deux creux se rencontrent, ils créent un cruex plus profond, car ils "s'additionnent", en quelque sorte. (Voir image, droite). Il en est de même lorsque deux crêtes se rencontrent, elle "s'additionnenet" pour créer une crête plus haute. Par contre, si un creux et une crête se rencontrent, ils s'annulent. Si la crête et le creux sont égaux en amplitude, ils s'annuleront complètement. Par contre, si ils ne sont pas égaux, il y aura une onde résultante, mais qui aura moins d'amplitude que l'onde d'origine. Ceci est très important à comprendre, parce que c'est un élément très important à la compréhension de la dualité onde-particulaire. Alors maintenant que nous savons ce que sont les ondes, "prouvons" donc leur existence, tout comme nous l'avons fait dans de cas des particules. 

Les fentes de Young


  Thomas Young, un physicien anglais, a fait une expérience que nous appelons aujourd'hui les fentes de Young. Le test se résumait à envoyer un faisceau de photons vers un mur (B) troué à deux endroits situé derrière un mur (A) troué une seule fois. Un senseur spécial qui capte les photons placé derrière les deux murs servait à recueillir les résultats. Si les photons se comportaient comme des particules, on s'attendrait à voir le senseur "capter" des photons vis-à-vis des deux trous du mur B. Par contre, plutôt que de voir cela, Young a remarqué un patron d'interférence sur la plaque captant les photons. Donc, Young a pu conclure que les photons se comportaient aussi en ondes. Ces résultats ont plus tard été dupliqués avec des électrons et par la suite, on a pu appliquer le principe d'onde à toutes les particules subatomiques. 

Mais que sont-ils vraiment?


  Einstein nous dit que ce sont des particules et Young nous dit que ce sont des ondes ... alors que sont-ils vraiment? La vérité est que, comme John Gribbin le dit si bien dans son livre Le Chat de Schrödinger: "en réalité, [elles] ne [sont] ni une onde ni une particule" p. 192. Les "particules" ont simultanément les propriétés des particules et des ondes. Plusieurs hypothèses ont été suggérées pour expliquer ce phénomène, dont celle d'une onde "guidant" une particule. Par contre, l'une des explications les plus prohéminentes est l'Interprétation de Copenhague. Une autre des interprétations éminentes est la superpostition des états. Nous explorerons donc ces deux théories. 


   L'interprétation de Copenhague est une théorie établie par les physiciens éminenets des années 1920 pour tenter d'expliquer la dualité onde-particulaire. Cette théorie stipule que les qualités d'onde que possèdent les particules sont réellement une description de la probabilité de la position de la particule. Sans entrer dans les détails (cela réfère au principe d'incertitude de Heisenberg), cette théorie voudrait qu'une particule est en fait une particule, mais que ses caractéristuques ondulaires soient dues au fait que la particule se retrouver à plusieurs places en même temps, partout sur la fonction d'onde qui lui est associée. Oui, partout sur l'onde en même temps! C'est un concept assez difficile à s'approprier, puisque cela n'arrive pas dans nos vies de tous les jours. Pour se donner une idée de ce que pourrait être l'Interprétation de Copenhague si elle s'appliquait à la vraie vie, imaginons que nous, comme des particules, pouvons être à plusieurs lieux en même temps. Nous ne sommes pas "deux de nous", mais nous pouvons être partout en même temps. Un bon matin, je me lève pour aller courir, mais en même temps, je reste dans mon lit pour dormir. Pendant ma course, je vois un accident sur la route. Pas quelque chose d'assez sérieux pour passer aux nouvelles, mais juste assez pour me mettre en retard pour le boulot. En revenant, je (qui suis allée courir) me préviens (qui suis restée dormir) de prendre un autre chemin. J'arrive donc à l'heure au boulot à l'heure, puisque je me suis prévenue. Le fait d'être à deux places en même temps a changé le résultat de l'expérience, comme dans le cas de la particule, qui, en étant partout sur l'onde, crée un patron d'interférence*. 


* En fait, ce n'est pas tout à fait vrai. La particule ne communique pas avec lui-même, elle ne fait qu'interférer, mais faisons abstraction de ce détail pour l'instant!


   La deuxième théorie est la théorie de la superposition des états. Elle stipule qu'une particule est une onde et une particule en même temps, jusqu'à ce qu'on mesure la particule.