En physique, la dualité onde-particule est un principe selon lequel tous les objets de l’univers microscopique présentent simultanément des propriétés d’ondes et de particules. Ce concept fait partie des fondements de la mécanique quantique.
Cette dualité tente de rendre compte de l’inadéquation des concepts conventionnels de « particules » ou d’« ondes », pris isolément, à décrire le comportement des objets quantiques. L’idée de la dualité prend ses racines dans un débat remontant aussi loin que le xviie siècle, quand s’affrontaient les théories concurrentes de Christiaan Huygens qui considérait que la lumière était composée d’ondes et celle de Isaac Newton qui considérait la lumière comme un flot de particules. À la suite des travaux d’Albert Einstein, Louis de Broglie et bien d’autres, les théories scientifiques modernes accordent à tous les objets une nature d’onde et de particule, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu’à des échelles microscopiques.
Onde ou particule, c’est l’absence de représentation plus adéquate de la réalité des phénomènes qui nous oblige à adopter, selon le cas, un des deux modèles alors qu’ils semblent antinomiques.
Approches vulgarisées
Un des grands problèmes de la physique quantique est de donner des images. En effet, l’être humain a besoin d’images pour réfléchir, pour retenir (voir l’article Psychologie cognitive).
On ne peut se construire des images que par analogie avec ce que l’on connaît, avec notre expérience quotidienne. Ainsi, lorsque l’on s’imagine une onde, il nous vient à l’esprit les vagues sur l’eau ; lorsque l’on s’imagine une particule, il nous vient à l’esprit une bille.
Le problème en physique quantique est que, pour se représenter les objets aux petites échelles ou aux échelles élevées d’énergie (particules élémentaires), il faut faire appel aux deux notions d’ondes et de particules solides, alors qu’elles sont opposées et incompatibles :
| Particule | Onde | |
|---|---|---|
| position ou interaction | localisée, d’extension définie | délocalisée, d’extension infinie dans le temps et l’espace |
| propagation | trajectoire continue, avec une vitesse définie et observable | diffusion en même temps dans toutes les directions (son « moment » virtuel n’est pas directement observable) |
| dénombrabilité et séparabilité | l’objet est dénombrable, et séparable en objets distincts. | l’objet est indénombrable et inséparable en objets distincts. |
Ceci cause un grand trouble, une incompréhension, et entraîne fréquemment un blocage, notamment lorsque l’on se pose la question : « si une particule est bien localisée hors interaction comment se fait-il qu’elle ne le soit pas lors d’une interaction ? »
La métaphore du cylindre
Métaphore du cylindre : objet ayant à la fois les propriétés d'un cercle 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 a à la fois les propriétés d’un cercle et d’un rectangle : sur un plan, un objet est soit un cercle, soit un rectangle.
Mais si l’on considère un cylindre : une projection dans l’axe du cylindre donne un cercle, et une projection perpendiculairement à cet axe donne un rectangle.
De la même manière, « onde » et « particule » sont des manières de voir les choses et non les choses en elles-mêmes.
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 une base vectorielle, et en géométrie euclidienne, les coordonnées sont la projection de l’objet sur les axes de référence).
C’est l’absence d’équivalent macroscopique 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) est à la fois une onde et une particule, ce 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 physiciens Jean-Marc Lévy-Leblond et Françoise 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 le principe de complémentarité de Bohr.
La gnoséologie 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 ». Descartes utilise la même métaphore : des objets ou des formes géométriques différents ayant les propriétés de l’un et de l’autre (mais ils ne sont ni l’un, ni l’autre).
Mise en évidence de la dualité
Figure 1 : Schéma de l'expérience.
Une des manières les plus claires de mettre en évidence la dualité onde-particule est l’expérience des fentes de Young. Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d’abord mis clairement en évidence l’aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule non seulement de la lumière, mais aussi de tout autre objet quantique. Dans la description qui suit, il sera question de lumière et de photons mais il ne faut pas perdre de vue qu’elle est également applicable – du moins en principe – à toute autre particule (par exemple des électrons), et même à des atomes et à des molécules.
Figure 2 : Figure d’interférence observée.
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 (⇐ voir figure 1).
Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique ce que l’on appelle une figure d’interférence (voir figure 2 ⇒). Cette figure est caractéristique d’un comportement ondulatoire de la lumière (voir l’article interférence). Si l’expérience en reste à ce niveau, l’aspect corpusculaire n’apparaît pas.
Figure 3 : Expérience avec de "vraies" particules, par exemple des micro-billes.
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 à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule.
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 « vraies » particules, on n’obtient aucune figure d’interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes (⇐ voir figure 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 la figure 2, puis de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, 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 particules ?
Force est donc de constater une dualité onde-particule des photons (ou de tout autre objet quantique), qui présentent simultanément les deux aspects.
Source : Wikipedia
