Dualité onde-particule

Dualité onde-corpuscule

Les effets photoélectrique et de Compton ne peuvent être interprétés par la théorie ondulatoire classique car il y a interaction entre particules et lumière. La notion d'oscillateur d'énergie proportionnelle à la fréquence a été trouvée par Planck. Einstein a ensuite précisé cette idée en expliquant l'effet photoélectrique. Les deux formules d’Einstein-Planck ont pour conséquence, combinées avec la transformation de Lorentz, l’apparition, non seulement d’une vibration, mais aussi d’une onde dans le référentiel propre d’une particule matérielle ou d'un photon, de nature électromagnétique, comme l'a montré de Broglie.

La théorie de Broglie prévoit donc la nature à la fois ondulatoire et corpusculaire de la lumière et des particules matérielles. Certains croyaient encore dur comme fer, il y a moins d’un demi-siècle qu’un photon ne pouvait interférer avec lui-même. La diffraction de particules uniques a été observée sur des photons, électrons, atomes et même de grosses molécules comme le fullerene C60. On sait même diffracter des atomes (mais pas des photons, du moins pas encore) par une onde laser stationnaire ! Les intensités peuvent être si faibles qu’on peut distinguer, sur la photo, les impacts des particules individuelles ou, avec un détecteur, les clics correspondants. Les franges d’interférence se forment au fur et à mesure de l’arrivée des photons individuels sur la plaque photographique. Les franges sont le résultat de la loi des grands nombres modifiée par la présence de l’onde. La probabilité de voir apparaître les impacts de photons est plus grande dans les franges. Les photons subiraient donc une déviation qui n’est pas entièrement due au hasard : une force inconnue et faible pourrait en être la cause, selon la vision de Broglie.

On obtient le chemin suivi par la particule en plaçant un détecteur à la sortie de chaque trou d’Young. On constate que le photon ou l’électron se dirige aléatoirement dans chacune des voies mais l’interférence disparaît puisque le détecteur détruit la particule et l’interférence. On ne peut avoir à la fois connaissance du trajet de la particule et interférence. Dans un interféromètre de Mach-Zehnder, un photon unique aurait une chance sur deux d’être transmis dans chacune des voies mais à cause du phénomène ondulatoire, ils ne pourra être capté par un détecteur que si celui-ci se trouve dans une frange d’interférence constructive.

Couder, Fort et Boudaoud ont observé (Des gouttes qui « marchent sur l'eau ») à l’échelle macroscopique des phénomènes analogues à ceux imaginés par de Broglie. Une goutte rebondissant sur la surface d’un liquide oscillant peut se coupler à l’onde de surface qu’elle émet et se mettre en mouvement. A travers deux fentes d’Young une figure d’interférence apparaît.

Einstein, avec de Broglie, ayant contesté l’approche probabiliste de la mécanique quantique, on a cherché une expérience de vérification. Le théorême de Bell prévoit une courbe en dents de scie alors que la mécanique quantique, en conformité avec la loi de Malus, prévoit une sinusoïde. L’expérience d’Aspect a montré que les inégalités de Bell ne sont pas vérifiées.

Les photons, de nature à la fois ondulatoire et corpusculaire, étant déviés par le Soleil, ont une pseudo-masse donnée par les formules de Planck (E = hν) et d’Einstein (E = mc2 ne serait plus destinée qu’à la vulgarisation). Inversement, les particules de matière pesante ont une onde de matière ou de Broglie, associée, de nature physique encore inconnue (chez le photon elle est électromagnétique), qui leur permet d’interférer avec elles-mêmes. Deux photons uniques indépendants mais indiscernables peuvent aussi interférer: c'est la coalescence. Une particule peut interférer avec elle-même mais on ne sait pas (encore ?) si elle passe par un seul trou d’Young (de Broglie) ou par les deux à la fois (Bohr et Heisenberg) alors que son onde passe nécessairement par les deux trous.

Voir aussi

Longueur d'onde de Broglie