L’expérience des fentes de Young et la dualité onde/corpuscule
vendredi 28 avril 2017, par
Même en arrivant un par un les corpuscules reconstituent sur l’écran des franges d’interférence
L’expérience des fentes de Young et la dualité onde/corpuscule
L’expérience des fentes de Young est un des fondements de la remise en cause de la physique dite classique et son remplacement par la physique quantique.
Le paradoxe est le suivant : des corpuscules qui arrivent un par un ponctuellement comme des particules et qui reconstituent pourtant des interférences comme des ondes !
Paul Davies dans « Les forces de la nature » :
« Nous avons vu que l’hypothèse du photon implique que les ondes électromagnétiques se comportent parfois comme des particules. Inversement, des objets généralement considérés comme des particules, tels que les électrons, peuvent se comporter de façon floue comme s’ils étaient étalés dans l’espace. En 1924, Louis de Broglie suggéra que cet étalement associait aux particules de matière un comportement d’onde. (…) L’idée d’ondes de matière semble de prime abord aussi étrange que celle de particules de lumière dans le cas de l’hypothèse du photon, mais la conjecture de De Broglie reçut dès 1927 un appui expérimental dans les travaux de Davisson et Germer aux USA et ceux de G.P. Thomson en Grande-Bretagne. Ces expériences consistaient à diffuser des faisceaux d’électrons sur des cristaux. La diffusion montrait des figures d’interférence caractéristiques des mouvements ondulatoires. (…) Les physiciens parlent de la « dualité » onde-particule pour décrire cette conjonction apparemment paradoxale de propriétés. (…) Un bon test de la cohérence de la « dualité » onde-particule est ce qu’on appelle l’expérience des deux fentes, due à l’origine à Thomas Young. Le dispositif expérimental est montré sur la figure suivante.
Une source de lumière ponctuelle éclaire deux fentes étroites percées dans un écran opaque, et les images de ces fentes sont projetées sur un second écran. On pourrait croire que le résultat serait deux bandes de lumière partiellement superposées, mais en fait on observe une alternance régulière de bandes claires et sombres. (…) Quand les ondes arrivent en phase, elles se renforcent et créent une région brillante, quand elles sont déphasées, elles se compensent et créent une région noire. (…) Si la lumière est faite de particules, les photons, comment une figure d’interférence peut-elle se produire ? (…) On peut diminuer l’intensité de la source lumineuse de sorte qu’un sel photon à la fois traverse le dispositif, et remplacer l’écran par une plaque photographique. Chaque photon arrive individuellement sur la plaque, et produit une petite tâche sur le film photosensible. Il n’y a aucun doute qu’à l’arrivée sur la plaque, le photon est une particule avec un point d’arrivée précis. Les photons arrivent un par un, et la figure d’interférence se construit graduellement, en pointillés, à partir des tâches de chaque photon. Bien que les photons traversent le système séparément, ils se débrouillent quand même pour faire apparaître une figure d’interférence ondulatoire. Là est le mystère. (…) La détection des photons met en évidence l’aspect de particule, mais leur distribution dans l’espace a un caractère d’onde. »
Dans la physique classique, la matière est corpusculaire et la lumière est ondulatoire.
L’expérience montre que les deux sont à la fois ondulatoire et corpusculaire.
Dans la physique classique, la mécanique est prédictive alors qu’en physique quantique on n’accède qu’à une probabilité.
L’avantage de la nouvelle physique est qu’elle permet de calculer les résultats obtenus dans des expériences de type de Young ; c’est-à-dire qui mettent en jeu le microscopique (corpuscules élémentaires de matière et de lumière).
L’inconvénient, pensent les scientifiques, c’est qu’elle introduit une contradiction dialectique : les éléments fondamentaux sont à la fois une chose et son contraire, onde et particule.
Je dis inconvénient par ironie, mais il est difficile d’imaginer à quel point c’est renversant pour toutes les croyances précédentes et même actuelles.
Essayons de montrer pourquoi de manière simple.
Tout d’abord, il faut voir que l’on assiste à ce que l’on appelle des interférences qui ressemblent à ce que l’on voit dans les ondes.
Mais, dans le cas des ondes qui traversent deux fentes, la même onde interfère avec elle-même et produit l’interférence c’est-à-dire une suite de hauts et de bas. Les différences entre les deux chemins passant par l’une et l’autre fente fait que les deux phénomènes sont additifs ou soustractifs.
Or, dans le cas de l’expérience de Young, on va réduire la puissance au point d’envoyer de la lumière en quantité minimale. A l’arrivée, on va s’assurer que ce qui arrive c’est des grains quantiques de lumière. On les capte par un phénomène photoélectrique typique des quanta.
Du coup, il est certain que le photon est passé par une fente ou par l’autre. Comment le photon peut-il interférer puisqu’il ne passe que par une fente et qu’on envoie les photons indépendamment, un par un ?
Par le calcul probabiliste qu’elles mettent en place, les premières théories quantiques vont mathématiquement retrouver les résultats mais renoncer à toute explication selon laquelle il se passe ceci, tel objet fait cela...
La seule manière d’interpréter est de reconnaitre que le photon ( ou l’électron puisqu’on peut faire l’expérience de Young avec des électrons) n’est pas seulement un corpuscule, qu’il est entouré d’une nuage du vide qui détermine les positions des particules et qui, lui, passe par les deux fentes... Mais cela suppose que le monde matériel est pétri de contradictions dialectiques irréductibles :
l’ordre est émergent (issu du désordre)
le local et le non-local (étendu) sont inextricablement imbriqués
le temps et l’espace sont issus d’un univers où espace et temps sont agités et, en particulier, l’écoulement du temps provient du vide où le temps est désordonné...
il n’existe aucune image non contradictoire de l’univers matériel et il n’existe aucune image non dynamique non plus de la matière et de la lumière
l’existence est inséparable de la destruction
la base de la matière comme du vide est située dans le vide quantique constitué d’une contradiction fondamentale : des couples particule/antiparticule
Une des manières les plus claires de mettre en évidence la dualité onde-particule est l’expérience des fentes de Young. Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d’abord mis clairement en évidence l’aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule non seulement de la lumière, mais aussi de tout autre objet quantique. Dans la description qui suit, il sera question de lumière et de photons mais il ne faut pas perdre de vue qu’elle est également applicable - du moins en principe - à toute autre particule (par exemple des électrons), et même à des atomes et à des molécules.
L’expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d’émission lumineuse. Une plaque photographique placée derrière l’écran enregistre la lumière issue des deux fentes. Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique ce que l’on appelle une figure d’interférence. Cette figure est caractéristique d’un comportement ondulatoire de la lumière. Si l’expérience en reste à ce niveau, l’aspect corpusculaire n’apparaît pas. En fait, il est possible de diminuer l’intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule.
En effet, si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes (par exemple), donc de "vraies" particules, on n’obtient aucune figure d’interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes. Or, dans le cas des photons, on retrouve la figure d’interférence reconstituée petit à petit, à mesure que les photons apparaissent sur la plaque photographique. On retrouve donc une figure d’interférence, caractéristique des ondes, en même temps qu’un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique. L’interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d’impacts sur la plaque photographique sont inexplicables ; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d’interférence, puis de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s’expliquent aisément, mais la figure d’interférence ne s’explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d’autres interdites à ces particules ? Force est donc de constater une dualité onde-particule des photons (ou de tout autre objet quantique), qui présentent simultanément les deux aspects. Interprétation de la dualité.
En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule sont décrits par une fonction d’onde qui code la densité de probabilité de toute variable mesurable (nommées aussi observable). La position d’une particule est un exemple d’une de ces variables. Donc, avant qu’une observation soit faite, la position de la particule est décrite en termes d’ondes de probabilité. Les deux fentes peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent. Sur la plaque photographique, il se produit ce que l’on appelle une réduction du paquet d’onde, ou une décohérence de la fonction d’onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d’onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d’autres (franges sombres). Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu’à ce qu’une observation soit faite, la position d’une particule est décrite en termes d’ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.
Que signifie le phénomène des deux fentes de Young, cette fameuse expérience fondatrice de la physique quantique et qui a particulièrement justifié la notion de dualité onde/corpuscule ? Supposons que du sable coule par un trou dans une plaque et s’entasse en dessous, que trouvera-t-on ? Un petit tas et de moins en moins de sable quand on s’éloigne de la verticale du trou. Et si le sable passe par deux trous ? Eh bien, il s’il y a deux trous, il y aura deux petits tas. S’il ne s’agit pas de sable mais d’électrons ou d’autres particules de matière ou de lumière, il n’en va pas du tout de même. Au lieu de deux tas, il y en a toute une série de tas séparés par des zones où aucune particule n’est arrivée. Cela forme des bandes successives pleines suivies de bandes vides, d’où des figures appelées franges d’interférence. On a d’abord pensé que les électrons (ou les particules émises) interféraient entre eux. Mais on a effectué l’expérience en envoyant les électrons (ou d’autres particules) un par un. Or, les particules qui arrivent sur l’écran une par une construisent progressivement les mêmes figures d’interférence. Les scientifiques ont été amenés à en déduire que chaque particule interfère avec elle-même, comme si elle était passée à la fois par les deux trous… C’est difficile (voire impossible) pour un corpuscule comme l’électron ou le photon … Les diverses expériences du type de Young ont amené les scientifiques à rejeter successivement toutes les interprétations sur la particule, qu’elles soient de type corpusculaire (comme des corpuscules ponctuels et localisés) ou ondulatoire (comme des objets non localisés produisant des interférences). Cela signifie qu’il faut aller plus loin dans la remise en question des idées reçues sur la matière et … le vide.
Tout d’abord, il est clair que quelque chose passe à la fois par les deux trous quand le corpuscule, lui, ne passe que par un seul : le vide. Mais ce vide est-il si vide ? Non, il est plein de particules et antiparticules virtuelles (fugitives qui ne durent que des temps très brefs).
Qu’entend-on par brefs ? Cela dépend de l’énergie qu’ils portent. Des paires électron - positron peuvent exister, de l’ordre de six fois dix puissance moins 22 seconde. Par contre, des photons virtuels peuvent très bien avoir une durée de vie relativement grande pourvu que leur énergie (leur fréquence) soit très faible.
Et ces particules (et antiparticules) entourent le corpuscule d’un nuage. Elles guident son déplacement. Mais ce n’est pas aussi simple, en fait, qu’un déplacement, c’est-à-dire un mouvement d’un objet qui change seulement de place mais reste la même. Mais d’abord qu’est-ce que le vide ? C’est le milieu le plus symétrique de la nature. Dans ce milieu, dès qu’apparaît une particule, une antiparticule apparaît avec elle et elles restent couplées. Leurs caractéristiques sont égales et opposées et elles disparaissent en même temps dans un intervalle trop court pour être mesuré à notre échelle, celle de la matière dite durable. Il y a effectivement plusieurs niveaux de la matière qui se différencient par bien d’autres choses que la durée. Il y a le niveau des relations interstellaires. Il y a celui de la matière que nous examinons tous les jours, appelé le niveau macroscopique. Il y a encore le niveau de l’électron par exemple appelé niveau microscopique ou quantique. Il y a enfin le (ou les) niveau du vide….
Qu’est-ce que la dualité onde-corpuscule
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