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Qu'est-ce qu'une onde et qu'est-ce qu'une particule?

par

Lal  Ariyaratna Pinnaduwage (note)

13 mars 2018; révisé le 18 avril 2020 (vidéo remplacée au n ° 7)

1. Les ondes impliquent le transport d'énergie sans transport de matière. Lorsque vous jetez un caillou sur un plan d'eau, vous pouvez voir se déplacer des ondulations. Il n'y a pas de déplacement d'eau d'un endroit à un autre, mais la perturbation se déplace.

• Par conséquent, une onde peut être décrite comme une perturbation qui se déplace à travers un milieu, transportant de l'énergie d'un endroit (sa source) à un autre sans transporter de matière.
  
  
• En revanche, une particule peut se déplacer et donc transférer de la matière. La caractéristique la plus importante d'une particule est que sa position est localisable à un moment donné et qu'elle est détectée comme un événement de unique ou une simple impulsion.
  
  
• C'est ainsi que les ondes et les particules étaient censées se comporter avant l'avènement de la mécanique quantique. Mais à partir de 1900 environ, nos idées sur les ondes et les particules sont devenues quelque peu déroutantes, en raison de nombreux changements radicaux.

2. Les concepts fondamentaux de la mécanique quantique (MQ) ont été élaborés entre 1900 et 1930 environ. On peut trouver une bonne description de l'évolution de la MQ au cours de cette période et au-delà dans Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma d'Andrew Whitaker (deuxième édition, 2006).

• Cet ouvrage décrit comment ont évolué les mots-clés liés à la gestion de la qualité tels que ondes, particules, fonctions d'onde. Certains des concepts anciens - et inutiles - comme la dualité onde-particule persistent dans des publications faites avant.
  
  
• Des expériences clés menées au cours des 20 à 30 dernières années montrent que les idées persistantes sur la dualité onde-particule sont vraiment un obstacle à la compréhension de la réalité révélée par la QM.

3. Pendant longtemps, on a pensé que la lumière était une onde, plus précisément une onde électromagnétique. Cette idée persiste encore.

• La lumière est constituée de particules (photons). Cela n'a été fermement établi qu'en 1986. Nous en parlerons dans un prochain article.
  
  
• La caractéristique la plus distinctive d'une particule est que sa détection est enregistrée comme un événement unique (impulsion) par un détecteur. 
  

4. Cependant, le mouvement d'une particule - y compris un photon - peut être représenté par une fonction d'onde, qui est une fonction mathématique et non une onde. Une fonction d'onde est extrêmement utile pour calculer les résultats expérimentaux, mais ce n'est pas quelque chose qui est physiquement réel.

• Il est plus facile de voir les différences entre les termes onde, particule et fonction d'onde en regardant ce qui se passe lorsque les ondes et les particules traversent les doubles fentes.

5. Lorsque des corpuscules normaux qui nous sont familiers passent par deux fentes et tombent sur un écran en laissant leurs empreintes, nous voyons deux images linéaires comme indiqué à gauche dans la figure ci-dessous. En revanche, une onde (comme une vague d'eau) donnera lieu à des franges comme illustré à droite.

• Dans la vie courante, nous verrons des particules (disons des billes) traverser deux grandes fentes et venir  frapper l'écran comme indiqué à gauche.
  
  
• Avec une vague d'eau passant par deux fentes, nous verrions des ondulations donnant lieu à des crêtes de vagues d'eau comme indiqué à droite.

Ce sont les scénarios avec des particules et des ondes classiques.

6. Si des particules quantiques (comme des électrons ou des photons) traversent deux fentes où l'ouverture de la fente est GRANDE (disons 1 cm ou plus), alors nous verrons de nouveau le motif classique de particules indiqué sur la GAUCHE.

• Cependant, si des particules quantiques (comme des électrons ou des photons) traversent deux fentes où l'ouverture de la fente est PETITE (disons moins d'1 mm), alors nous verrons le motif d'onde indiqué sur la DROITE. Si les dimensions d'ouverture sont de l'ordre de h / p (où h = constante de Planck et p est l'impulsion de la particule), alors on peut s'attendre à des modèles d'ondes diffuses.
  
  
• Dans de tels cas, ces résultats expérimentaux peuvent être CALCULÉS en utilisant des fonctions d'onde pour représenter le mouvement de ces particules.
  
  
• Cependant, une particule n'est jamais étalée. Une particule donnée sera toujours détectée à un certain point dans ce diagramme de diffraction. Il faut répéter l'expérience avec une seule particule plusieurs fois pour obtenir ce diagramme de diffraction.

7. 18 avril 2020: Voici une vidéo youtube qui explique ce qui précède de manière simple :

https://www.youtube.com/watch?v=zPolTp0ddRg&t=55s en anglais ; remplacé par https://www.youtube.com/watch?v=zPolTp0ddRg&t=55s

Nous en discuterons en détail dans les prochains articles, ainsi que les problèmes connexes suivants.

La lumière est-elle une onde ou une particule?

1. Dans les premiers temps, le concept de Newton de la lumière constituée de particules a prévalu pendant longtemps. Mais la théorie corpusculaire de la lumière de Newton a été abandonnée vers 1850 parce qu'elle ne pouvait pas expliquer les phénomènes d'interférence et de diffraction, et Young et Fresnel ont montré que le concept d'onde pouvait expliquer ces résultats expérimentaux.

• Cependant, une onde a besoin d'un support pour la porter. Une onde d'eau se propage dans l'eau et une onde sonore peut se propager dans un solide ou un liquide et a besoin au moins de l'air pour se propager. Alors que  la lumière peut voyager dans le vide, et par conséquent l'existence d'un éther encore inconnu a été proposé comme le moyen omniprésent à travers lequel la lumière peut se propager.
  
  
• La «théorie de l'éther» rencontra plusieurs objections et fut finalement abandonnée après la célèbre expérience Michelson – Morley réalisée en 1887, qui prouva de manière concluante l'absence d'un éther.

2. Maintenant, nous savons que la lumière n'a pas besoin d'un support pour se propager. De plus, la vitesse de la lumière est constante et indépendante du mouvement à la source ou du détecteur ou de la direction dans laquelle elle se déplace, comme le montre la théorie de la relativité d'Einstein (découverte en 1905).

• Par conséquent, la lumière n'est pas une onde. Cela a été confirmé par une expérience menée avec des photons uniques en 1986, dont nous parlerons dans le prochain article. Je voulais juste présenter ici le contexte.

Matière et onde

1. Alors que le débat se poursuivait sur la question de savoir si la lumière est une onde ou une particule entre 1850 et le début des années 1900, et même dans une certaine mesure jusqu'en 1986, un autre questionnement connexe est intervenu vers 1900 avec les premières études en mécanique quantique.  

• La question était de savoir si les particules solides peuvent être traitées comme des ondes.

2. Après que Planck, Einstein, Compton et d'autres aient établi que la lumière se comportait comme des particules (photons), Bohr en 1913 a eu l'idée de quantifier les niveaux d'énergie d'un atome d'hydrogène. Il a pu expliquer ainsi les raies discrètes dans le spectre de l'hydrogène.

• La raison pour laquelle l'idée de Bohr a fonctionné a été clarifiée par une autre hypothèse révolutionnaire avancée par de Broglie en 1924. Il a proposé que tout comme les photons peuvent être représentés par une onde (en particulier avec les équations d'ondes électromagnétiques de Maxwell), le mouvement des électrons peut être représenté par une «onde». À ce moment-là, on ne savait pas vraiment ce que serait cette «onde». Maintenant, nous savons que c'est une fonction d'onde (note).
  

3. Comme nous l'avons vu plus haut, la lumière était considérée depuis longtemps comme une onde. Mais l'idée que les électrons avec une masse au repos non nulle pourraient être représentés par des ondes n’était pas prévue.

• Puis en 1927, Davisson et Germer ont produit des diagrammes de diffraction clairs pour la diffusion d'électrons à partir d'un réseau de nickel, tout comme un diagramme de diffraction dû à la lumière. Cela a conduit à la spéculation selon laquelle les particules se comportent parfois comme des ondes.
  
  
• C'est ainsi que l'idée de «dualité onde-particule» a évolué dans la période déroutante de 1900 à 1930 environ. Même si une «théorie quantique» acceptée avait été établie vers 1930, l'idée de «dualité onde-particule» persiste jusqu'à présent.
  
  
• De nos jours, ces diagrammes de diffraction observés avec les électrons peuvent être expliqués via les fonctions d'onde qui représentent le mouvement des électrons. Cependant, un électron donné ne peut être trouvé qu'en un seul endroit à un moment donné.

Principe d'incertitude de Heisenberg

1. Pour rendre les choses encore plus compliquées, Heisenberg a proposé en 1927 son fameux principe d'incertitude. Ce principe dit que l'incertitude de la position d'une particule multipliée par l'incertitude de l'impulsion de la particule doit être plus grande que ce que l'on appelle la constante de Planck

• La constante de Planck est extrêmement petite; il a une valeur d'environ 10 ^-34 J.s.
  
  
• Pour toute particule que nous pouvons voir avec nos yeux, toute incertitude sur la position de la particule sera beaucoup plus petite que la taille de la particule. Par conséquent, nous ne le remarquons pas dans notre vie courante.

2. Cependant, lorsqu'il s'agit de particules microscopiques comme les électrons, l'incertitude de position est normalement très grande. Si vous avez vu une représentation picturale de l'orbite d'un électron dans un atome d'hydrogène, elle est représentée comme une zone ; l'électron pourrait être n'importe où dans cette zone.

L'image suivante montre quelques exemples de telles orbitales d'électrons. Un électron peut être n'importe où dans une orbitale donnée à un moment donné.

• Par conséquent, le point clé à retenir est que l'incertitude sur la position et la quantité de mouvement (ou vitesse) d'une particule ne devient significative que pour les petites particules comme les électrons et les photons.

3. Nous pouvons faire les déductions suivantes sur l'emplacement d'une particule quantique à un moment donné.

• La signification de cette incertitude est que nous ne pouvons pas dire précisément où se trouve une si petite particule. Nous pouvons seulement dire qu'elle doit être située dans une certaine région et calculer la probabilité qu'elle se trouve à un point donné dans cette région.
  
  
• Mais cela ne signifie pas que la particule est étalée dans ce volume. A tout moment, la particule est localisée en un seul point. C'est juste que nous ne pouvons pas dire précisément quel point en raison du principe d'incertitude.

J'espère que vous pouvez voir la différence. Certaines personnes font la grave erreur de dire qu'une particule quantique est étalée dans l'espace comme une onde. C'est une grave erreur et c'est l'une des principales raisons pour lesquelles les gens ont du mal à comprendre la mécanique quantique.