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LA NATURE DES PARTICULES
Après une brève plongée dans l'infiniment petit, nous voilà donc déjà arrivé au coeur de notre sujet : les particules.
La dualité onde/corpuscule
L'étude des particules a en réalité commencé par l'étude de la lumière. Les propriétés de la particule la composant (le photon) ayant ensuite été généralisées à l'ensemble des particules.
- ASPECT ONDULATOIRE -
Jusqu'en 1905 on considérait la lumière uniquement comme une onde, une image souvent utilisée pour se réprésenter une onde est celle des vagues se prdoduisant sur un plan d'eau lorsque l'on y jette un caillou.
La lumière comme une onde
CLIQUEZLes ondes lumineuses (qui sont en réalité des ondes électromagnétiques) sont alors notamment caractérisées par leur vitesse qui est constante dans le vide (approximativement 3.108 m.s-1, soit un peu plus d'un milliard de kilomètres par heure), ainsi que par leurs fréquences qui conditionnent leurs couleurs, ainsi plus une onde lumineuse a une fréquence élevée plus sa couleur tend vers le bleu, à l'inverse plus sa fréquence est faible plus elle tend vers le rouge.
La longueur d'onde est directement
liée à la fréquence suivant la formule : 
Représentation (très simplifiée) de la lumière comme une onde.
- ASPECT CORPUSCULAIRE -
En 1905, un certain Albert Einstein
(14 mars 1879 - 18 avril 1955) Physicien d'origine allemande, prix nobel de physique en 1921.
Auteur de la théorie du mouvement brownien et de la relativité,
créateur du concept de photon, il est également l'auteur de la fameuse formule E=mc2. de son prénom proposa de
considérer la lumière non plus comme une onde onde mais comme un
corpuscule : le photon.
Un rayon de lumière serait donc d'après lui un
ensemble de
corpuscules mcroscopique se déplacant d'un point à un autre,
chaque
photon étant porteur d'un paquet d'énergie. L'idée est donc d'autant
plus séduisante quelle rejoint la théorie des quantas d'énergie
développée par Max Planck
(23 avril 1858 - 4 octobre 1947) Physicien allemand, Prix Nobel de physique en 1918 et lauréat du prix Goethe en 1945.
Il est
à l'origine de la fameuse constante de Planck et de la révolution quantique..
Ainsi si l'on reprend le modèle de Bohr exposé précedemment, un électron lorsqu'il saute d'une orbite à une autre émet ou absorbe un photon dont l'énergie est donné par l'équation de Planck et donc proportionnelle à sa fréquence.
L'aspect corpusculaire de la lumière fut définitivement prouvé par l'expérience menée par Arthur Compton en 1923.
L'effet Compton (1923)
CLIQUEZEt si nos particules étaient des boules de billard, le photon serait la boule blanche et l'électron la boule rouge.
Lancons avec un certaine énergie la boule blanche vers la boule rouge, lorsque les deux boules se rencontrent :
- la boule blanche change de direction et ralentie sa course (son énergie est diminuée)
- la boule rouge entre en mouvement (son énergie est augmentée)
En 1923, Arthur Compton montra qu'un photon heurtant un électron se comporte à peu près de la même manière que notre boule blanche heurtant la boule rouge : le photon voit sa trajectoire déviée et son énergie diminuée.
Son expérience consiste à émettre de la lumière (des rayons X en l'occurence) vers de minces feuilles de matière, puis à étudier la lumière ayant traversée la feuille.
Les résultats montrent qu'en traversant la feuille la lumière est déviée et sa fréquence diminue légerement. La fréquence étant proportionnelle à l'énergie, c'est bel et bien l'énergie des photons qui a diminuée. Le photon s'est bel et bien comporté de la même manière que notre boule blanche heurtant notre boule rouge. Sauf qu'en traversant de la matière ce sont des électrons qu'il a rencontré, et en les heurtant il a vu sa trajectoire déviée et son énergie diminuée.
- DUALITÉ -
Malheureusement l'aspect corpusculaire de la lumière n'explique pas tout, elle est notamment remise en cause par l'étonnante expérience des fentes d'Young qui prouve que la lumière se comporte également comme une onde.
Expérience des fentes d'Young (1801)
CLIQUEZL'expérience des fentes d'Young, réalisée pour la première fois en 1801 par Thomas Young, et reproduite mainte fois depuis, est sans doute l'expérience la plus importante de la physique quantique.
Le dispositif de cette expérience est relativement simple : une source de lumière éclaire une plaque percée de deux fentes fines. Un capteur sensible à la lumière placé derrière cette plaque nous donne "l'image" de la lumière ayant traversé les fentes. Sur le capteur apparait donc l'ombre de la plaque.
Commencons par observer ce que nous obtenons si nous obstruons l'une des fentes :
Nous obtenons donc respectivement l'image floutée de chaque fente (un peu comme les contours d'une ombre qui ne sont jamais parfaitement nets).
Ces premiers résultats sont donc parfaitement compatibles avec l'aspect corpusculaire de la lumière démontré expérimentalement par l'effet Compton : les photons passent par l'une des deux fentes et impactent le capteurs situé derrière en face de la fente.
N'obstruons maintenant aucune fente et laissons la lumière passée dans les deux fentes. Notre logique voudrait que nous obtenions comme image la superposition des images obtenues :
Seulement voilà ce que nous obtenons en réalité :
Les raies que nous voyons apparâitre sont des franges d'interférence, typiques notamment de deux ondes qui se chevauchent.
L'image ci-dessous schématise et explique ce résultat en considérant la lumière comme une onde.
Vous vous dites peut-être qu'il existe encore une explication rendant plausible ce résultat en gardant une vision corpusculaire de la lumière : il se pourrait en effet que les franges d'interference proviennent d'interactions entre les photons passant par la fente de droite et ceux passant par celle de gauche. Seulement voilà : nous sommes aujourd'hui en mesure d'envoyer les photons un par un vers la plaque, et ce faisant nous observons les même franges d'interférence.
La seule explications d'un point de vu corpusculaire est donc que les photons passent par les deux fentes en même temps et qu'il interagissent avec eux même.
Pour finir je vous propose les résultats de l'expérience des fentes d'Young réalisée par le Dr Tonomura non pas avec des photons mais avec des électrons émis un par un.
Ces résultats sont intéressant à double titre :
- on percoit bien ici l'aspect corpusculaire des électrons formant des points sur le capteur ;
- on voit apparaître les franges d'interférence propres aux ondes malgré l'aspect corpusculaire évident.
Les résultats sont :
- a : après l'émission de 10 électrons
- b : après l'émission de 200 électrons
- c : après l'émission de 6000 électrons
- d : après l'émission de 40000 électrons
- e : après l'émission de 140000 électrons
Nous voilà donc devant une réalité bien étrange, la lumière se comporte à la fois comme une onde et comme un corpuscule.... En plus d'aller à l'encontre de notre vision du monde (essayez d'imaginer un object qui soit à la fois une bille et une onde étalé dans l'espace), cette réalité a également pour conséquence de remettre en cause le modèle de Bohr
Effectivement il sera bientôt démontré que les électrons possèdent exactement les mêmes étonnantes propriétés que les photons , ils sont donc eux même à la fois onde et corpuscules, fait qu'ignore totalement le modèle de Bohr.
Un monde incertain
LA NATURE DES PARTICULES La dualité onde/corpuscule - ASPECT ONDULATOIRE -
- ASPECT CORPUSCULAIRE -
- DUALITÉ -
Un monde incertain
Du monde quantique au notre
Un monde troublant
- DES UNIVERS PARALLÈLES ? -- LE PRINCIPE D'INCERTITUDE -
- LE PARADOXE EPR -
Résumé
Pour pallier à cette lacune du modèle de Bohr, Erwin Schrödinger proposa un nouveau modèle de l'atome encore considéré aujourd'hui comme le plus proche de la réalité.
Mais Schrödinger ne fit pas que fournir le meilleur modèle de l'atome à ce jour, il est également l'auteur de la bien nommée équation de Schrödinger, l'équation fondamentale de la physique quantique.
Aussi rebutante que puisse parâitre cette équation, derrière elle se cache la définition même des particules. Malheureusement, la définition proposé par Schrödinger est purement mathématique et n'a aucune équivalence dans le monde réel.
En résolvant cette équation on obtient ce que l'on appelle une fonction d'onde. Si l'on mesure une des propriétés d'une particule (ou d'un système), par exemple sa position, la fonction d'onde nous donne la probabilité d'obtenir une valeur donnée.
La première idée nous venant à l'esprit est que nous n'avons simplement pas encore réussi à décrire exactement le comportement d'une particule. Nous pourrions penser que l'utilisation de probabilités n'est qu'un pis-aller masquant notre incapacité de prévoir précisément la position d'une particule (ou toute autre propriété).
Mais il n'en est rien, dans l'infiniment petit la particule n'a pas de position déterminée, pas de vitesse déterminée.... une particule est en quelque sorte dans tous ces états possibles simultanément.
Dire qu'une particule est dans plusieurs états simultanément n'est pas juste, c'est tenté d'interpréter l'infiniment petit de la même manière que nous interpreterions le comportement des objets à notre échelle. En réalité, une particule se trouve dans un seul et unique état quantique englobant tous ses ces états et leurs probabilités respectives.
Tout ce qui nous entoure est composé de particules, comment expliquer alors une telle différence entre le comportement des particules et celui des objets tel que nous le percevons à notre échelle ?
Du monde quantique au notre
LA NATURE DES PARTICULES La dualité onde/corpuscule - ASPECT ONDULATOIRE -
- ASPECT CORPUSCULAIRE -
- DUALITÉ -
Un monde incertain
Du monde quantique au notre
Un monde troublant
- DES UNIVERS PARALLÈLES ? -- LE PRINCIPE D'INCERTITUDE -
- LE PARADOXE EPR -
Résumé
Comme le montre notamment l'expérience des fentes d'Young, une particule n'a pas de position précise dans l'espace tant que celle ci n'est pas mesurée. Un abus de langage couramment utilisé affirme que la particule se trouve à plusieurs endroits à la fois.
Dans ce qui suit je ne parelerais que de la position d'une particule, mais les propos s'appliquent en réalité à n'importe quel observable concernant la particule (sa vitesse, son énergie...)
La particule ne "choisi" d'être dans une position précise que lorsque nous cherchons à connaître celle-ci, ainsi le temps de la mesure la particule passe d'un état quantique sans position précise à un état classique avec une position déterminée, on appelle ce phénomène de passage de l'état quantique à l'état classique la "réduction du paquet d'onde".
Tout ce qui nous entoure est composé de particules, comment expliquer alors une telle différence entre le comportement des particules et celui des objets tel que nous le percevons à notre échelle ? Si cette question reste encore en suspend à l'heure actuelle, le phénomène de décohérence quantique lui apporte malgré tout une réponse partielle.
La décohérence quantique est pour une particule le passage d'un comportement quantique à un comportement classique. Autrement dit, si dans son état quantique une particule se trouve à plusieurs endroits en même temps, lors du phénomène de décohérence elle "choisira" en quelque sorte de n'apparaître qu'à un seul endroit. La seule chose que nous sachions déterminer à priori est la probabilité de trouver la particule à un endroit plutôt qu'à un autre.
Si la théorie de la décohérence quantique peut paraître quelque peu ésotérique, elle n'en est pas moins vrai, preuve en est que des expériences récentes ont abouti à l'observation factuelle de celle-ci (la première expérience date de 1996).
Un monde troublant
LA NATURE DES PARTICULES La dualité onde/corpuscule - ASPECT ONDULATOIRE -
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- DUALITÉ -
Un monde incertain Du monde quantique au notre
Un monde troublant
- DES UNIVERS PARALLÈLES ? -- LE PRINCIPE D'INCERTITUDE -
- LE PARADOXE EPR -
Résumé
- DES UNIVERS PARALLÈLES ? -
Nous voici donc devant un grand dilemme de la physique quantique : les choses ne prendraient une réalité que lorsque nous les observons. Autrement dit le monde nous entourant n'aurait aucune réalité si nous ne l'observions pas !
Une explication donné à ce dilemme par une minorité de scientifiques est l'existence d'univers parallèles : quand nous observons la position d'un électron celui prend une position parmi une multitude de possibilité. C'est à ce moment que nous "choisirions" d'exister dans un univers plutöt qu'un autre. La multitude de positions possibles de l'électron s'étant produites dans autant d'univers parallèles indépendants.
- LE PRINCIPE D'INCERTITUDE -
En 1927, alors que la pysique quantique n'en est encore qu'à ses balbutiements, Werner Heisenberg, un jeune physicien allemand énonce une principe pour le moins curieux : le principe d'incertitude d'Heisenberg.
Ce principe peut être résumé en disant qu'il est impossible de connaître à la fois la position et la vitesse d’un objet quantique de manière précise. Autrement dit plus l'on connait avec précision la position d'une particule plus la valeur de sa vitesse nous apparaît floue.
Il ne s'agit pas comme on pourrait le penser dune limite de nos appareils de mesure, mais bel et bien une propriété intrinsèque des systèmes étudiés. Cet état de fait est formalisé par le principe d'incertitude d'Heisenberg.
- LE PARADOXE EPR -
Le paradoxe EPR, pour Einstein-Podolsky-Rosen (les trois pysiciens qui en sont à l'origine), a été pensé dans l'objectif de contrer l'idée selon laquelle un système quantique n'a pas d'état avant que l'on ne le mesure (interprétation de Copenhague).
En physique quantique, deux particules ayant une source commune ne peuvent être considérées comme deux systèmes indépendants, on dit alors qu'ils sont intriquées; c'est à que l'état de l'une de ces particules dépend exclusivement de l'état de l'autre particule.
Imaginons par exemple une niche avec deux sorties, une de chaque côté. Placons dans cette niche deux chiens, un noir et un blanc. Maintenant faisons exploser un pétard dans cette niche, de telle sorte qu'un chien sorte de chaque côté en courant le plus vite possible.
"Génération" de deux chiens intriqués
Fermons les yeux avant l'explosion et rouvront les un peu après, il est alors évident qu'il n'ous suffit d'observer un seul chien pour connaître la couleur des deux : si celui que nous voyons est blanc, l'autre est noir et vice-versa. En langage quantique nous pourrions dire que ces deux chiens sont intriqués.
Il est clair pour nous que le chien blanc a toujours été blanc et le noir noir, en ouvrant les yeux nous ne faisons que constater la couleur du chien passant devant nous.
Mais si nos deux chiens étaient des systèmes quantiques intriqués, tout ne serait pas aussi simple : en physique quantique un système n'a pas d'état déterminé tant qu'on ne le regarde pas, autrement dit le chien ne serait ni blanc ni noir, ou alors blanc et noir à la fois tant que nous n'aurions pas ouvert les yeux.
C'est donc au moment où nous ouvrons les yeux que l'autre chien s'établit blanc ou noir en fonction de la couleur du chien que nous regardons. Pour résumer lorsque nous ouvrons les yeux nous créons l'information concernant la couleur du chien sous nos yeux, et cette information est instantanément transmise à l'autre chien, quelque soit la distance à laquelle il se trouve, pour qu'il passe d'une couleur indéterminée à une couleur précise.
L'information s'est en quelque sorte téléportée instantanément, violant la loi selon laquelle rien ne peut aller plus vite que la lumière (et par conséquent passer d'un point A à un point B instantanément).
Revenons à nos moutons, ou plutôt à nos photons en remplacant nos chiens par des photons et la couleur par la polarisation des photons.
Le phénomène est alors exactement le même, à savoir que deux photons intriqués n'ont pas de polarisation tant que celle ci n'est pas observée. Nous savons par contre que leurs polarisations sont nécessairement opposés (un photon aura par exemple une polarisation horizontale et son homologue intriqué nécessairement une polarisation verticale).
Le paradoxe EPR peut donc se résumer par l'expérience suivante déjà maintes fois réalisée :
- Nous générons deux photons intriqués, tant que nous ne les observons pas ces deux photons sont en superposition d'état, ils sont tous deux à la fois polarisés circulairement à gauche et à droite.
- Nous éloignons ces deux photons l'un deux l'autre, la distance les séparant peut-être de plusieurs milliers de kilomètres.
- Nous observons un des deux photons.
- Nous observons par exemple que notre photon est polarisé circulairement à gauche, en réalité, au moment où nous l'observons la décohérence du photon se produit et il passe d'un état superposé à un état défini.
- L'information se transmet alors instantanément, où se télétransporte comme on voudra, vers l'autre photon qui devient polarisé circulairement à droite.
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| Alain Aspect (1947 - ...) |
Malgré son incongruté, l'intrication quantique n'en est pas moins une réalité, et nombre d'expérience l'ont prouvées. Historiquement, la première expérience concluante sur l'intrication quantique fut celle d'Alain Aspect réalisée en 1982 à Orsay.
Résumé
Après avoir lu ce chapitre vous devez avoir une idée plus claire de la nature du monde qui vous entoure.
Vous savez maintenant que derrière l'apparente saisissabilité du monde qui nous entoure, se cache une réalité troublante
dont nous ne pouvons intellectuellement saisir tous les aspects.
Malgré la nature perturbante des particules nous allons malgré tout voir dans le prochain chapitre qu'il est possible
de les classer suivant des critères concrêts.
