Les impacts des particules rendent visible l'interférence des ondes, comme dans l'expérience desfentes de Young, par exemple.Animation pour comprendre le concept de dualité onde-corpuscule.Un paquet d'ondes qui représente une particule quantique.Interférence d'une particule quantique avec elle-même.
Enphysique, ladualité onde-corpuscule aussi appeléedualité onde-particule est un principe selon lequel tous les objets physiques peuvent présenter parfois des propriétés d'ondes et parfois des propriétés decorpuscules et de particules. La manifestation de ces propriétés ne dépend pas seulement de l'objet étudié isolément, mais aussi de tout l'appareillage de mesure utilisé. Ce concept fait partie des fondements de lamécanique quantique. Le cas d'école est celui de la lumière, qui présente deux aspects complémentaires selon les conditions d'expérience : elle apparaît soit ondulatoire, d’où le concept delongueur d'onde, soit corpusculaire, d'où le concept dephotons.
Cette dualité démontre en réalité l'inadéquation — ou plus exactement l'incomplétude — de chacune des conceptions classiques de « corpuscules » ou d'« ondes » pour décrire le comportement des objets quantiques. L'idée de la dualité prend ses racines dans un débat remontant aussi loin que leXVIIe siècle, quand s'affrontaient les théories concurrentes deChristian Huygens, qui considérait que la lumière était composée d'ondes, et celle d'Isaac Newton, qui considérait la lumière comme un flot decorpuscules. La dualité onde-corpuscule est introduite en parAlbert Einstein pour la lumière[1],[2],[3],[4]. À la suite des travaux d'Einstein, deLouis de Broglie et de bien d'autres, les théories scientifiques modernes accordent àtous les objets une double nature d'onde et de corpuscule, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu'à l'échelle des systèmes quantiques.
L'électrodynamique quantique donne à la lumière un aspect corpusculaire, et montre par des propriétés probabilistes que les photons peuvent avoir un comportement ondulatoire.
La dualité onde-corpuscule vient du fait que les analogies classiques de l'onde (associée à une vague sur l'eau) et du corpuscule (associé à une bille) sont incompatibles : intuitivement etontologiquement, elles ne peuvent caractériser un même objet.
Le phénomène d'une onde sur l'eau peut certes être considéré compatible avec le caractère corpusculaire des molécules composant l'eau ; néanmoins il s'agit là d'un phénomène d'échelle, le caractère ondulatoire observé sur l'eau découlant de la quantité de molécules d'eau composant le milieu, et non de chaque molécule.
Or au début de la physique quantique, les expériences montraient pourtant que les phénomènes observés présentaient bel et bien intrinsèquement ces deux propriétés apparemment opposées.
Métaphore du cylindre : objet ayant à la fois les propriétés d'un disque et d'un rectangle.
La métaphore du cylindre est l'exemple d'un objet ayant des propriétés apparemment inconciliables. Il serait à première vue déroutant d'affirmer qu'un objet ait à la fois les propriétés d'undisque et d'unrectangle : sur un plan, un objet est soit un disque, soit un rectangle.
Mais si l'on considère un cylindre : uneprojection suivant l'axe du cylindre donne un disque, et une projection perpendiculairement à cet axe donne un rectangle.
De la même manière, « onde » et « corpuscule » sont des manières de voir les choses et non les choses en elles-mêmes. Le terme de dualité est alors assez « contradictoire », signifiant qu'il existe deux choses différentes alors qu'il s'agit bien de l'unification de deux domaines de la physique : les ondes et l'aspect corpusculaire.
Notons par ailleurs que dans la description mathématique de la physique quantique, le résultat de la mesure est similaire à une projection géométrique (notion d'observable : l'état de l'objet est décrit par des nombres que l'on peut voir comme des coordonnées dans unebase vectorielle, et engéométrie euclidienne, les coordonnées sont la projection de l'objet sur les axes de référence).
C’est l’absence d’équivalentmacroscopique sur quoi nous pourrions nous référer qui nous force à penser les objets quantiques comme possédant des attributs contradictoires. Il serait inexact de dire que la lumière (comme tout autre système quantique d’ailleurs) està la fois une onde et un corpuscule, elle n’est ni l’un, ni l’autre. Le manque d'un vocabulaire adéquat et l'impossibilité de se faire une représentation mentale intuitive des phénomènes à petite échelle nous font voir ces objets comme ayant une nature, par elle-même, antinomique.
Pour lever cet apparent paradoxe et insister sur l'imperfection de nos concepts classiques d'onde et de corpuscule, les physiciensJean-Marc Lévy-Leblond etFrançoise Balibar ont proposé d'utiliser le terme de « quanton » pour parler d'un objet quantique. Un quanton n'est ni une onde, ni un corpuscule, mais peut présenter les deux aspects selon leprincipe de complémentarité de Bohr.
Lagnoséologie cartésienne utilise cette idée pour démontrer que nos sens nous trompent.Descartes prend cet exemple :« Comme aussi une tour carrée, étant vue de loin, paraît ronde[5]. » Descartes utilise la mêmemétaphore : des objets ou des formes géométriques différents ayant lespropriétés de l'un et de l'autre (mais ils ne sont ni l'un, ni l'autre).
La dualité onde-corpuscule s'est imposée au terme d'une longue histoire où les aspects purement ondulatoires et corpusculaires ont été tour à tour privilégiés. Ces aspects ont tout d'abord été mis en évidence avec les théories de la lumière, avant d'être étendus — auXXe siècle — à tous les objets physiques.
La première théorie complète de lalumière a été établie par le physicien néerlandaisChristian Huygens auXVIIe siècle. Il proposait une théorie ondulatoire de la lumière et a, en particulier, démontré que les ondes lumineuses pouvaient interférer de manière à former unfront d'onde se propageant en ligne droite. Toutefois, sa théorie possédait certaines limitations en d'autres domaines et fut bientôt éclipsée par la théorie corpusculaire de la lumière établie à la même époque parIsaac Newton.
Newton proposait une lumière constituée de corpuscules, expliquant ainsi simplement les phénomènes deréflexion optique. Au prix de complications considérables, cette théorie pouvait également expliquer les phénomènes deréfraction à travers une lentille, et de dispersion d'un faisceau lumineux à travers unprisme.
Bénéficiant de l'immense prestige de Newton, cette théorie ne fut guère remise en question pendant plus d'un siècle.
Le point de vue ondulatoire n'a pas remplacé immédiatement le point de vue corpusculaire, mais s'est imposé peu à peu à lacommunauté scientifique au cours duXIXe siècle, surtout grâce à l'explication en1821 parAugustin Fresnel du phénomène depolarisation de la lumière que ne pouvait expliquer l'autre approche, puis à la suite de l'expérience menée en1850 parLéon Foucault sur la vitesse de propagation de lalumière. Ces équations furent vérifiées par maintes expériences et le point de vue deHuygens devint largement admis.
En1905,Albert Einstein réintroduisit l'idée que la lumière pouvait avoir une nature corpusculaire : il expliqua l'effet de seuil de l'effet photoélectrique en postulant l'existence dequanta d'énergie lumineuse. Einstein admit que lafréquenceν (nu) de cette lumière est liée à l'énergieE des photons par la relation de Planck :
Cette relation prit le nom de relation de Planck-Einstein[6].
Cette vision fut contestée très longtemps[7], en particulier parce qu'elle ne s'accorde pas facilement avec les comportements spécifiquement ondulatoires tels que la diffraction.
C'est une généralisation de larelation de Planck-Einstein indiquée ci-dessus, car laquantité de mouvement (ou l'impulsion) d'un photon est donnée par oùc est lavitesse de la lumière dans le vide, et (si on remplacep et dans l'équation de de Broglie, on retrouve la relation de Planck-Einstein).
La formule exprimée par De Broglie fut confirmée trois ans après parClinton J. Davisson etLester H. Germer. Ceux-ci dirigèrent un faisceau d'électrons, qui contrairement aux photons ont unemasse, vers un réseau de diffraction cristallin : les motifs d'interférence attendus purent ainsi être observés.
Exemple de molécule de fullerène.
Des expériences semblables ont été entreprises depuis avec desprotons et même avec desmolécules entières, avec notamment l'expérience d'Estermann etOtto Stern en1929, et la formule a été confirmée dans tous les cas.
De Broglie reçut en 1929 leprix Nobel de physique pour son hypothèse, qui influença profondément la physique de cette époque.
Avec unphotomultiplicateur, il est possible de détecter un photon isolé, et un photon de même couleur produit toujours dans cet appareil un événement de même intensité[10]. Plus généralement, tous les appareils que l'on a fabriqués pour la détection de faibles intensités lumineuses amènent à la même conclusion : la lumière est faite de particules, alors que toutes ses manifestations dans la vie quotidienne semblent dues à des phénomènes ondulatoires[11].
L'expérience qui intriguait déjàIsaac Newton est celle de la réflexion de la lumière sur la surface d'un objet en verre : il y a toujours 4 % des rayons ou des photons qui sont réfléchis (les autres 96 % le traversent)[12]. Si, au lieu d'une surface, on compte les réflexions sur une plaque de verre composée de deux surfaces parfaitement parallèles, on s'attend à un résultat de 8 % (le double du résultat obtenu avec une surface simple) ; mais, l'expérience montre un phénomène qui ressemble à une interférence : en augmentant progressivement l'épaisseur de la plaque, la réflexion de la lumière varie de manière cyclique entre 0 et 16 %[13]. Ce phénomène a pu être expliqué par une théorie ondulatoire qui prédisait que l'intensité détectée baisserait avec celle de la lumière émise, ce qui a tenu jusqu'au moment où les photomultiplicateurs ont été capables de détecter des photons uniques : l'intensité détectée ne baissait pas avec la diminution de la lumière émise. Les physiciens ont alors accepté la dualité onde-corpuscule comme un fait[14].
L'électrodynamique quantique a résolu ce paradoxe, sans pour autant l'expliquer, en considérant que le verre (ou toute autre matière translucide) réfléchit les photons selon uneprobabilité donnée. À partir de ce postulat, la théorie est capable d'expliquer tous les phénomènes lumineux que l'on croyait ondulatoires[15].
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 (⇐ voirfigure 1).
Ces deux sourcesinterfèrent et forment sur la plaque photographique ce que l'on appelle une figure d'interférence (voirfigure 2 ⇒). Cette figure est caractéristique d'un comportementondulatoire de la lumière (voir l'articleinterférence). Si l'expérience en reste à ce niveau, l'aspect corpusculaire n'apparaît pas.
Figure 4 : figure d'interférence constituée petit à petit.
En fait, il est possible de diminuer l'intensité lumineuse de la source primaire de manière que la lumière soit émisephoton par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule.
Figure 3 : expérience avec de « vraies » particules, par exemple des micro-billes.
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 « vrais » corpuscules, on n'obtient aucune figure d'interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes (⇐ voirfigure 3).
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 (figure 4 ⇒). 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 de lafigure 2, puis de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de corpuscules, 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 corpuscules ?
Force est donc de constater ladualité onde-corpuscule des photons (ou de tout autre objet quantique), qui présentent simultanément les deux aspects.
Enmécanique quantique, la dualité onde-corpuscule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule est décrit par unefonction d'onde dont le carré du module, lorsque mesuré, est ladensité de probabilité[n 1].La position d'une particule est un exemple d'une mesure possible. Avant qu'une observation soit faite, la particule est décrite en termes d'ondes, la position ne devient connue que lorsqu'on la mesure.
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 (voir schéma de droite ⇒).
Sur la plaque photographique, il se produit ce que l'on appelle uneréduction du paquet d'onde, ou unedécohérence 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).
La particule se matérialise très clairement aux points rouges de la plaque cible, et pas du tout aux points noirs, là où les ondes créent une interférence destructive.
Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique : avant qu'une observation (ou mesure) soit faite, la position d'une particule est décrite en termes d'ondes de probabilité, mais après l'observation (ou mesure) de la particule, elle est décrite par une valeur précise. Ce phénomène se comprend par lesinégalités d'Heisenberg, mais s'interprète comme le fait que soit l'on décrit l'objet d'un point de vue particulaire soit d'un point de vue ondulatoire. Il faut faire un choix que laméthode expérimentale va déterminer, par la mesure[16].
La manière de conceptualiser le processus de la mesure est l'une des grandes questions ouvertes de la mécanique quantique.L'interprétation standard est l'interprétation de Copenhague, mais la théorie de ladécohérence est aussi de plus en plus considérée par la communauté scientifique. Voir l'articleProblème de la mesure quantique pour une discussion approfondie.
Willis Eugene Lamb[17] critique la notion de photon et même de particule cf. paragraphe 8 « Il y a beaucoup à dire sur la dualité onde-particule dans la discussion de la mécanique quantique. Cela peut être nécessaire pour ceux qui ne souhaitent pas ou ne peuvent pas acquérir une compréhension de la théorie. » et affirme plus loin que la dualité onde-particule a été introduite parNiels Bohr en 1927 sans que ce dernier n'ait pratiqué de calculs quantiques après que la mécanique quantique ait été formulée.
Une dualité onde-particule macroscopique : le rôle de mémoire des ondes, présentation parYves Couder le donné dans le cadre des Conférences de physique non-linéaire 2012[lire en ligne].
