La dualité onde-corpuscule

Intéressons-nous aujourd’hui à une bizarrerie de la physique: la dualité onde-corpuscule (ou onde-particule). Ce terme légèrement ésotérique  désigne le fait que tous les objets (électrons, atomes, molécules, …) ont une double nature. Selon les circonstances, ils peuvent se comporter comme une onde ou comme une particule. Or la physique classique et notre intuition nous disent que ces deux concepts sont mutuellement exclusifs, c’est-à-dire qu’un objet qui a un caractère ondulatoire ne peut pas être un corpuscule.

Qu’est-ce qu’une onde ? Et un corpuscule ?

Ce sont deux concepts de la physique classique permettant de décrire des objets qui nous sont familiers. Un exemple typique d’un corpuscule est la balle de tennis.  On peut énumérer ses caractéristiques:

  1. Il a une position bien localisée et une extension finie dans l’espace
  2. Il se déplace selon une trajectoire continue
  3. C’est un objet dénombrable, séparable, autrement dit: « 1 corpuscule + 1 corpuscule= 2 corpuscules »

Par opposition, une bonne image d’une onde est celle des vagues que l’on peut créer à la surface de l’eau en tapotant son doigt à la surface. Voici ses caractéristiques:

  1. Elle n’a pas de position précise dans l’espace (elle est délocalisée)
  2. Elle ne se propage pas selon une trajectoire (regarder les anneaux qui s’agrandissent dans toutes les directions simultanément à la surface de l’eau.
  3. Ce n’est pas un objet dénombrable au sens où deux ondes qui se rencontrent se superposent pour former une seule onde. Autrement dit: « 1 onde +1 onde= 1 onde »

C’est au sujet de la description de la lumière que l’opposition entre ces deux concepts a été la plus forte. Pour voir cette différence de plus près, considérons la même expérience en utilisant tour à tour nos deux objets: les balles de tennis(corpuscules) et les vagues(ondes).

Prenons les balles de tennis. Regardez le schéma ci-dessous.

La source est une machine à lancer les balles de tennis. En face, on a disposé un mur percé d’une fente. Derrière ce mur, un écran. Les balles sont enduites de peinture de telle sorte que, si elles passent par la fente, elles viennent laisser une marque sur l’écran. Refaisons le même expérience avec deux fentes:

En regardant ce qu’on observe sur l’écran lors de ceux deux expériences, on retrouve les trois caractéristiques des corpuscules  énumérées plus haut:

  1. Chaque balle laisse une marque sur l’écran (position localisée)
  2. En regardant attentivement, on peut voir par quelle fente passe la balle avant de frapper l’écran (trajectoire)
  3. La figure obtenue sur l’écran avec deux fentes est la somme des figures que l’on obtiendrait en ouvrant chacune des fentes séparément ( « 1 corpuscule + 1 corpuscule= 2 corpuscules »)

Supposons que notre source envoie désormais des ondes:

Si on garde en tête l’analogie avec les vagues dur l’eau, une onde est une alternance de « creux » et de « bosses » qui se propage à partir de la source. On voit que la fente agit comme une source secondaire, comme un nouveau point de départ pour l’onde: c’est le phénomène de diffraction. Supposons que l’écran mesure l’intensité de l’onde lorsqu’elle le touche, alors on obtient une intensité maximale en vis-à-vis de la fente, qui décroît progressivement sur les côtés.

Maintenant, prenons deux fentes:

La figure que l’on obtient sur l’écran est une alternance de bandes noires et de bandes blanches. Lorsque l’onde traverse les deux fentes, chacune se comporte comme le point de départ d’une nouvelle onde. Ces deux ondes se rencontrent, se superposent. Lorsque deux « bosses » se superposent, l’intensité est maximale (bande noire). Lorsque ce sont deux « creux », l’intensité est minimale (bande blanche). C’est le phénomène d’interférence.

On retrouve les trois caractéristiques des ondes énumérées plus haut:

  1. elle laisse une marque sur tout l’écran et non en un point précis (délocalisée)
  2. Il n’y a pas de trajectoire: l’onde passe par les deux fentes en même temps
  3. La figure d’interférence que l’on observe avec deux fentes n’est pas la somme des figures observées avec chacune des fentes prise séparément. ( « 1 onde +1 onde= 1 onde »)

Bref, ce sont deux concepts bien distincts.

La lumière: onde ou corpuscule ?

Ce fut un grand débat à partir du XVIIème. Newton proposait une théorie corpusculaire de la lumière tandis que Huygens proposait une hypothèse ondulatoire. La notoriété de Newton fit que son point de vue fut dans un premier temps privilégié. Cependant, au début du XIXème siècle, un britannique du nom de Thomas Young fit l’expérience que nous avons décrite ci-dessus avec deux fentes et une source de lumière. Il constata que ses résultats plaidaient en faveur de l’hypothèse ondulatoire. Le savant français Augustin Fresnel développa le formalisme mathématique ondulatoire qui permit de décrire et de prédire beaucoup de phénomènes observés. Puis, à la fin du XIXème, Maxwell unifia la théorie ondulatoire de la lumière avec la théorie électromagnétique. L’histoire semblait alors terminée.

Imaginez alors la stupeur des physiciens en 1905 lorsqu’ Einstein proposa une sorte de retour à la théorie corpusculaire avec ses quanta de lumière. Cette théorie ne permettait pas de décrire les phénomènes d’interférences, si bien décrits par les ondes.  Ainsi lors de la conférence qu’il donna à la réception de son prix Nobel en 1922, Niels Bohr déclara: « En dépit de sa valeur heuristique, l’hypothèse des quanta de lumière, qui est absolument irréconciliable avec ce qu’on appelle les phénomènes d’interférence, ne peut nous éclairer sur la nature du rayonnement ».  Main en 1923, le physicien américain Compton découvre l’effet qui porte aujourd’hui son nom et qui apporte une sérieuse confirmation à la théorie corpusculaire. Comment réconcilier ces deux visions ?

Louis de Broglie et la dualité onde-corpuscule

En 1924, le français Louis de Broglie, issue d’une famille aristocratique, décide de prendre le problème à contrepied dans sa thèse de doctorat: si la lumière, que l’on croyait être une onde, se comporte aussi comme un corpuscule, pourquoi un électron, que l’on croyait être un corpuscule, ne se comporterait pas comme une onde ? Il établit des relations entre la vitesse d’un électron (caractéristique corpusculaire) et sa longueur d’onde (caractéristique ondulatoire) grâce à l’intermédiaire de la constante de Planck (le fameux h). Dubitatifs, les membres du jury de thèse de Louis de Broglie, dont Perrin et Langevin, demandent l’avis d’ Einstein. Celui-ci leur répond: « Il a soulevé un coin du grand voile ». Les expériences de Davisson et Germer, qui montrèrent la diffraction des électrons par un cristal en 1927, vinrent confirmer cette théorie. Si on reprend notre expérience avec deux fentes, mais en utilisant des électrons (ou des photons, ça marche aussi) voici ce qu’on observe:

Nous pouvons remarquer que les électrons laissent des marques individuelles sur l’écran, comme tout corpuscule, mais la figure produite est un motif d’interférence, comme le ferait une onde.

Là où plus personne ne comprend…

Cette expérience de physique quantique nous réserve encore d’autres surprises si on essaie de répondre à la question: Par quelle fente passe un électron individuel avant de frapper l’écran ? Mais je garde cela pour un prochain billet.

il faut être humble avec contradiction devant laquelle nous nous trouvons -à savoir que les concepts d’onde et de corpuscule, qui étaient mutuellement exclusifs en physique classique, semblent désormais inséparable-. Je vois trois points de vue que l’on peut adopter:

  • Soit on admet que nos concepts classiques ne sont pas adaptés pour décrire la réalité du monde microscopique. Alors la dualité onde-corpuscule est un problème de vocabulaire, de sémantique, où on utilise des mots en dehors des limites de leur signification. On pourrait trouver un nouveau mot prêtant moins à confusion pour ce concept « onde-particule ». Le mot « particule » devrait d’ailleurs être compris dans ce sens, mais beaucoup le confonde avec « corpuscule ». Ainsi Jean-Marc Levy-Leblond et Françoise Balibard ont proposé le mot « quanton ».
  • Soit on admet que les concepts d’onde et de corpuscule sont complémentaire et que leur utilisation ne dépend pas seulement de l’objet étudié mais aussi du contexte, du dispositif expérimental employé. On peut voir ceci par l’analogie avec l’image ci-dessous:

A la manière des concepts « onde » et « corpuscule », les concepts « disque » et « rectangle » sont opposés. Pourtant ils sont complémentaires pour décrire l’objet cylindre, et leur utilisation dépend du dispositif expérimental, à savoir la direction de l’éclairage utilisée. Selon ce point de vue, nous n’avons pas accès à la réalité de l’objet (ici le cylindre) mais seulement à certaines de ses caractéristique en fonction du contexte.

  • Soit on reste perplexe et agnostique devant ce phénomène.

Si vous avez d’autres solutions, n’hésitez pas !

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