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La dualité onde-particule
La dualité onde-particule est le fait que la lumière et la matière se comportent tantôt comme des ondes, tantôt comme des particules, selon l’expérience réalisée. C’est l’un des fondements de la mécanique quantique.
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La lumière est-elle une onde ou un flux de particules ? La question a divisé les physiciens pendant trois siècles. Au XXe siècle, la réponse est tombée, déconcertante : les deux, ou plus exactement ni l’un ni l’autre au sens classique. Et ce qui vaut pour la lumière vaut aussi pour les électrons, les atomes et même des molécules entières. Cette dualité est au cœur de la mécanique quantique.
Trois siècles de débat sur la lumière
| Époque | Conception dominante | Arguments |
|---|---|---|
| fin XVIIe s. | corpusculaire (Newton) contre ondulatoire (Huygens) | Newton explique la propagation rectiligne et la réflexion ; Huygens la réfraction |
| XVIIIe s. | corpusculaire | autorité de Newton |
| 1801-1820 | ondulatoire | interférences de Young, diffraction de Fresnel (voir interférences et diffraction) |
| 1865 | ondulatoire, électromagnétique | Maxwell montre que la lumière est une onde électromagnétique |
| 1905 | retour des grains de lumière | Einstein explique l'effet photoélectrique par des quanta |
| 1923 | les photons confirmés | Arthur Compton observe que les rayons X rebondissent sur les électrons comme des particules |
Le photon : une particule de lumière
En 1905, Einstein propose que la lumière transporte son énergie par paquets indivisibles, les futurs photons, d’énergie E = h f. L’effet photoélectrique, puis l'effet Compton (1923), où un photon de rayon X cède une partie de son énergie et de sa quantité de mouvement à un électron comme dans un choc de billes, confirment ce comportement corpusculaire.
Pourtant, la même lumière continue de produire des franges d’interférences, signature indiscutable d’une onde. Les deux descriptions sont nécessaires.
Louis de Broglie : la matière aussi est une onde
En 1924, dans sa thèse de doctorat, le physicien français Louis de Broglie fait l’hypothèse symétrique : si les ondes lumineuses ont un aspect corpusculaire, les particules de matière doivent avoir un aspect ondulatoire. À toute particule de quantité de mouvement p (voir quantité de mouvement), il associe une longueur d’onde :
λ = h / p = h / (m × v)
où h est la constante de Planck (voir Max Planck).
En 1927, Clinton Davisson et Lester Germer aux États-Unis, et George Paget Thomson au Royaume-Uni, observent la diffraction d’électrons par des cristaux : les électrons forment des figures de diffraction exactement comme des ondes de la longueur prédite. De Broglie reçoit le prix Nobel de physique en 1929, Davisson et Thomson en 1937.
L’expérience des fentes de Young, particule par particule
C’est l’expérience qui résume le mieux la dualité. On envoie des électrons, un par un, vers une plaque percée de deux fentes, puis sur un écran détecteur.
- Chaque électron arrive en un point précis de l’écran : comportement de particule.
- Les points semblent répartis au hasard, mais après des milliers d’impacts, ils dessinent des franges d’interférences : comportement d’onde. Chaque électron « interfère avec lui-même ».
- Si l’on place un détecteur pour savoir par quelle fente passe chaque électron, les franges disparaissent : on obtient deux taches, comme pour des billes.
L’expérience a été réalisée avec des photons isolés, des électrons (notamment par Akira Tonomura en 1989), des neutrons, des atomes et des molécules de plusieurs centaines, voire milliers d’atomes. Richard Feynman disait qu’elle contient tout le mystère de la mécanique quantique.
Comment comprendre la dualité ?
Un objet quantique n’est ni une petite bille ni une vague. Il est décrit par une fonction d’onde, qui évolue comme une onde et peut interférer. Lorsqu’on le détecte, on le trouve toujours en un endroit précis, avec une probabilité donnée par l’intensité de cette onde : c’est l’interprétation probabiliste proposée par Max Born en 1926.
Niels Bohr a formulé le principe de complémentarité (1927) : les aspects ondulatoire et corpusculaire sont complémentaires et s’excluent mutuellement dans une même expérience. Un dispositif qui révèle l’un masque l’autre (voir Niels Bohr). Cette limite est liée au principe d’incertitude de Heisenberg : mesurer précisément le passage par une fente perturbe nécessairement l’électron et brouille les franges.
Les applications
La dualité n’est pas une curiosité de laboratoire ; elle est exploitée tous les jours :
| Application | Aspect utilisé |
|---|---|
| Microscope électronique | la courte longueur d’onde des électrons permet de voir des détails atomiques, bien au-delà de la limite des microscopes optiques |
| Diffraction des neutrons et des électrons | étude de la structure des cristaux et des matériaux |
| Capteurs photo, panneaux solaires | aspect corpusculaire de la lumière (photons absorbés un par un) |
| Laser | émission stimulée de photons identiques, cohérents comme une onde |
| Effet tunnel et microscope à effet tunnel | l’onde de l’électron franchit une barrière infranchissable pour une bille |
| Interféromètres atomiques | mesures ultraprécises de la gravité et des rotations |
Questions fréquentes
La lumière est-elle une onde ou une particule ?
Ni l’un ni l’autre au sens classique : c’est un objet quantique. Elle se propage et interfère comme une onde, mais échange son énergie par paquets indivisibles, les photons, comme des particules.
Les objets du quotidien ont-ils une longueur d’onde ?
En principe oui, selon la relation de de Broglie. Mais elle est si petite, du fait de leur grande masse, qu’aucun effet ondulatoire n’est observable.
Qui a découvert la dualité onde-particule ?
Einstein l’a mise en évidence pour la lumière en 1905, Louis de Broglie l’a étendue à la matière en 1924, et les expériences de diffraction d’électrons l’ont confirmée en 1927.
Pourquoi l’observation fait-elle disparaître les interférences ?
Pour savoir par quelle fente passe une particule, il faut interagir avec elle, ce qui perturbe son état et détruit la cohérence entre les deux chemins possibles. Il ne s’agit pas de la conscience de l’observateur, mais d’une interaction physique.