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En physique, la dualité onde-particule soutient que la lumière et la matière présentent
simultanément des propriétés d'ondes et de particules. Ce concept fait partie des fondements de la mécanique quantique. Cette dualité fusionne les théories de Christiaan Huygens qui considérait que la lumière était composée d'ondes avec celles de Isaac Newton qui considérait que la lumière était des particules.
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| Sommaire |
Au début des années 1800, les expériences de diffraction faites par Thomas Young et Augustin Fresnel ont démontré l'exactitude des théories de Huygens: ces expériences prouvèrent que quand la lumière est envoyée sur une grille, on observe un motif d'interférence caractéristique, très semblable aux motifs résultant de l'interférence par des vagues; la longueur d'onde de la lumière peut être calculée à partir de tels motifs. James Maxwell, à la fin des années 1800, expliqua la lumière en tant que propagation d'ondes électromagnétiques avec les équations de Maxwell. Ces équations furent vérifiées par maintes expériences et le point de vue de Huygens devint largement admis.
En 1905, Albert Einstein réconcilia la théorie de Huygens avec celle de Newton: il expliqua l'effet photoélectrique, un effet dans lequel la lumière n'agit pas en tant qu'onde, en postulant l'existence des photons, quanta d'énergie lumineuse avec des qualités de particules. Einstein postula que la fréquence ν de cette lumière, est lié à l'énergie E des photons:
où h est la constante de Planck (6,626 x 10-34J s).
En 1924, Louis de Broglie affirma que toute matière a une nature ondulatoire. Il donna la relation entre la longueur d'onde λ et le moment p:
C'est une généralisation de la relation de Planck-Einstein indiquée ci-dessus le moment d'un photon est donné par p = E/c où c est la vitesse de la lumière dans le vide, et λ = c/ν.
La formule de de Broglie fut confirmée trois ans après en dirigeant un faisceau d'électrons qui, contrairement aux photons, ont une masse vers une grille cristalline et en observant les motifs d'interférence prévus. Des expériences semblables ont été depuis entreprises avec des protons et même avec des molécules entières et la formule a été confirmée dans tous les cas.
La constante de Planck h est extrêmement petite et cela explique pourquoi nous ne percevons pas la nature ondulatoire des objets usuels: leurs longueurs d'onde sont excessivement petites. Le fait que la matière peut avoir des longueurs d'onde très courtes est exploité en microscopie électronique.
En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci: tout système et particule est décrit par des fonctions d'ondes qui codent les distributions de probabilité de toutes les variables mesurables. La position d'une particule est une telle variable. Avant qu'une observation soit faite la position de la particule est décrite en termes d'onde de probabilité qui peuvent interférer les unes avec les autres.
Une expérience très simple, l'expérience des fentes de Young, résume la dualité: des électrons (ou toute autre chose) sont dirigés vers un écran avec deux fentes et on enregistre leur position d'impact à l'aide d'un détecteur placé derrière l'écran. On observe un motif d'interférence juste comme celui produit par la diffraction par deux fentes d'une onde lumineuse ou de vagues. Ce motif apparaîtra même si la source d'électrons est diminuée de sorte que seulement un électron par seconde soit émis. D'un point de vue « classique », chaque électron doit passer par la première ou par la deuxième fente. Ainsi le même motif d'interférence devrait être produit si l'expérience était répétée pendant un durée double mais en fermant la première fente pendant la première moitié de l'expérience, puis en fermant la deuxième fente pendant la deuxième moitié. Mais ce n'est pas ce qui se passe: le motif n'émergera pas. En outre, si nous construisons de petits détecteurs autour des fentes afin de déterminer quel chemin un électron particulier prend, alors cette mesure même détruira aussi le motif d'interférence.
Le motif est le résultat de la diffraction de la fonction d'onde de l'électron diffracté par les deux fentes et interférant avec lui-même. La fonction d'onde est une fonction complexe de l'espace et du temps. Le carré de l'amplitude de cette fonction décrit la probabilité de trouver l'électron à un endroit donné à un moment donné. L'interférence est due au fait que le carré de l'amplitude de la la somme de deux nombres complexes peut-être, et généralement est, différente de la somme des carrés de leur amplitude.
L'expérience illustre également un dispositif intéressant 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, elle est décrite par une valeur fixe. Comment conceptualiser le processus de la mesure est un des grandes questions de la mécanique quantique qui est encore non-résolue. L'interprétation standard est l'interprétation de Copenhague qui mène à des expériences de pensée intéressantes comme celle du chat de Schrödinger. Une autre interprétation est l'interprétation des mondes multiples.
