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Onde-corpuscule
La dualité onde-corpuscule ou onde-particule dans la Mécanique quantique constate expérimentalement que les rayonnements électromagnétiques, tout comme toutes les particules élémentaires se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes dans leur description mathématiques en Mécanique quantique. L'aspect onde implique le Principe de superposition qui est essentiel en Mécanique quantique par toutes ses conséquences.
Historique et repères essentiels de la Mécanique quantique[modifier | modifier le wikicode]
Cette théorie qui est un pilier de la mécanique quantique a été créée, même débuté, par Louis Victor de Broglie qui a généralisé à toutes les particules et à l'électron en particulier, les propriétés du Photon à la fois onde et particule Électromagnétique lumineuse, infrarouge, microonde ou radio, découvertes en 1900 par Max Planck et en 1905 par Albert Einstein.
Cette question : la lumière est elle formée de particules ( comme des boules lancées en projectiles rapides ) ou d'une onde (similaire à une onde sonore dans l'air ou à des vagues sur l'eau, dans un support mystérieux appelé éther Éther ) remonte au XVIIe siècle, lorsque s'affrontaient incompatibles les théories de Christian Huygens qui considérait la lumière comme une onde tandis qu'Isaac Newton considérait la lumière comme un flot de particules.
A la suite des travaux d'Albert Einstein et de Louis de Broglie, puis de la Mécanique quantique, on constate expérimentalement que tous les objets sont décrits avec une double nature d'onde et de particules, très étrange, car à priori ce sont deux aspects incompatibles.
Une particule est très localisée en un seul endroit, alors qu'au contraire une onde se propage délocalisée partout comme une vague sur la mer.
La Mécanique quantique résout cette incompatibilité en y ajoutant des propriétés de hasard :
brutalement dans une mesure expérimentale l'onde délocalisée disparait pour déposer la particule en un endroit au hasard imprévisible. La Probabilité de cet endroit est fixée par l'amplitude de l'Onde quantique au carré. La disparition de l'onde est appelée collapse de la fonction d'onde dans une mesure avec un instrument, comme un détecteur de particules.
Les conséquences sont nombreuses avec le hasard associé à l'onde ou au contraire une perfection de l'onde sans aucune dissipation (comme une Résistance électrique nulle et des courants électriques ou liquides perpétuels ), comme la Radioactivité (désintégration au hasard dans le temps d'un atome instable ), l'Effet tunnel ( passage rare au hasard dans le temps à travers un mur ou une barrière trop haute ), la Supraconductivité, la Superfluidité ( écoulements perpétuel d'électrons ou d'atomes ) et l'Ordinateur quantique, ( onde quantique sur une collection d'ordinateurs quantiques avec qubits en parallèle ), etc...
La lumière vue comme un déplacement de particules[modifier | modifier le wikicode]
Pour Isaac Newton, la lumière est composée de particules lourdes et très rapides. Au XXe siècle, après la découverte des Quantum de lumière par Max Planck en 1900, en 1905 Albert Einstein proposa le modèle du photon qui transporte une quantité d'énergie appelée quantas.
Les échanges d'énergie sont quantifiés en multiples de ces Quantum, qui selon la loi de Max Planck sont proportionnels à la Fréquence de l'onde associée à la particule multipliée par la constante h de Max Planck.
Le photon permet d'expliquer l'Effet photoélectrique avec un seuil égal au quanta et l'effet Compton, qui correspond à une collision entre un photon et un électron, le photon transmet alors son énergie de mouvement quantifiée à l'électron.
La lumière et ses caractéristiques ondulatoires[modifier | modifier le wikicode]
Pour James Clerk Maxwell, la lumière visible est un cas particulier d'onde électromagnétique ayant une longueur d'onde comprise entre 380 et 780 nm.
L'expérience la plus connue pour mettre en évidence le caractère ondulatoire de la lumière, est l’expérience des fentes de Young. Elle consiste à éclairer un écran percé de deux petites fentes très rapprochées. Les fentes divisent le flot lumineux en deux plus petits flots qui se croisent à un certain endroit ce qui produit sur la plaque photographique une figure d'interférence (alternance de bandes blanches et de bandes noires). Maintenant si l'on remplace la source de lumière par un canon à électron dans le vide, on obtient une figure d’interférence assez similaire, mais simplement une alternance de zones claires et de zones plus foncée. Cette expérience ne s'explique que si l'on considère que les objets quantiques ont la double nature d'onde et de particule.
Si on mesure un par un les détections soit de photon (photo-détecteur) ou soit d'électron les figures sont similaires avec des détections au hasard complet des particules une par une, qui peu à peu forment les figures d'interférence comme sur cette vidéo ou la figure.
Cette dualité apparait progressivement au hasard des mesures ou détections : chaque particule est mesurée en position avec un hasard statistique, qui peu à peu révèle une disposition statistique d'interférences typique d'ondes.
On a donc à la fois des ondes, et des particules détectées au hasard qui est déterminé par ces ondes avec une probabilité proportionnelle au carré de l'amplitude de l'onde.
résumé concret du mystère de la dualité onde particule :[modifier | modifier le wikicode]
Sous forme concrète simple le mystère quantique fondamental de cette dualité peut être décrit ainsi :
une particule est observée à la fois comme particule en un point précis et comme une onde similaire à une vague délocalisée à la surface de la mer ou d'un lac ( décrite avec les mathématiques des ondes ).
Une vague secoue tous les bateaux sur un lac dans notre vie macroscopique.
Pourtant microscopiquement en mécanique quantique si un bateau au hasard est secoué, il reçoit la particule qu'il détecte, mais tous les autres bateaux ne sont pas secoués en ne recevant rien de la particule, car la vague ou onde a disparu.
Le choix du seul bateau secoué se fait avec un hasard complet avec la chance ou probabilité de secouer ce seul bateau donnée par le carré de l'amplitude ( hauteur ) de la vague ou Onde.
C'est très étrange, voire mystérieux, mais vrai et observé en mécanique quantique pour toutes les particules sans aucune exception.
Une onde délocalisée avec évolution déterministe ( mathématiques ) qui détermine le hasard de détection comme particule est le grand mystère de la mécanique quantique, très différent de nos habitudes macroscopiques (on y voit tous les bateaux secoués par une vague et pas un seul ).
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Schéma de l'expérience -
Figure d’interférence obtenue avec des ondes -
Résultat de l'expérience avec des particules
L'apport de De Broglie[modifier | modifier le wikicode]
En 1924, Louis de Broglie propose de généraliser la dualité onde-particule alors admise pour la lumière à tous les objets microscopiques (électrons, protons, ...). Son hypothèse sera confirmée trois ans plus tard avec l'observation d'interférences entre ondes d'électrons qui ont permis de développer le microscope électronique bien plus puissant que le microscope optique pour observer directement les atomes, les virus et les molécules. .
La relation de De Broglie dit que pour chaque particule en mouvement est associée une onde pilote avec une longueur d'onde qui est liée à la quantité de mouvement par la relation : , où p est la quantité de mouvement, h est la constante de Planck et λ est la longueur d'onde.
Pour les électrons de forte impulsion cette longueur d'onde peut être très courte, beaucoup plus petite qu'en optique lumineuse et donc si proche de la taille d'un atome elle permet de voir directement les atomes.
La constante de Planck étant très petite, le comportement ondulatoire des objets du quotidien est insignifiant. On ne verra jamais une tasse à café se déplacer sous forme d'onde délocalisée en différents endroits.
Néanmoins on observe des effets quantiques similaires quasi macroscopiques à très basse température sur des systèmes avec un très grand nombre d'atomes, comme des Supraconducteurs et qui sont utilisés dans des Ordinateurs quantiques.
Sources[modifier | modifier le wikicode]
- http://www.web-sciences.com/documents/terminale/tedo18/teco18.php
- http://www.astronomes.com/le-big-bang/dualite-onde-particule/
- https://www.kartable.fr/terminale-s/physique-chimie/specifique/chapitres-33/la-dualite-onde-particule-5/cours/la-dualite-onde-particule-5/22790
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