Intro à la mécanique quantique
Où on espère avoir une réponse claire et précise à cette question, et évidemment, ça ne se passera pas comme ça. Nous allons décortiquer l'expérience des fentes d'Young, et se rendre compte que ça n'est pas si simple
Alors, notre électron, onde ou particule ?
Et la question ne se pose pas uniquement pour les électrons, mais aussi pour les photons, les protons, en fait pour tout ce qu’on appelle souvent particule, mais ça marche aussi pour des molécules assez grosses –sauf qu’on dirait que quand c’est très gros genre un chat la question ne se pose plus.
Mais alors où est la limite ?
Avant de pouvoir répondre à cette question, commençons par le début. La démonstration suivante est celle que je trouve la meilleure pour tenter de se raccorder avec la physique dite classique, et voir que cela marche assez mal en fait. Et d'une manière assez inattendue.
Les fentes d'Young
C’est là qu’il faut absolument connaitre l’expérience des fentes d’Young.
D’abord, utilisons des gros objets. On va commencer avec une mitrailleuse et des balles, personne n’osera contester que nous sommes en train de parler de particules, plutôt grosses, mais bien réelles. On les voit, on les touche.
On mitraille comme une bête le panneau avec la fente, et on retrouve la trace des balles plus loin, comme on s'y attend. C'est tout groupé. Bon, d'accord, avec éventuellement quelques rebonds bizarres à cause des bords de la fente, mais c'est secondaire.
La même expérience avec des ondes. On fait des « des ronds dans l’eau », donc des ondes, par exemple avec un caillou qu'on laisse tomber dans l'eau. Les physiciens utiliseront une machine pour lancer les cailloux, car c'est plus pratique. Et pareil, on met une fente, et on regarde ce qui se passe de l'autre côté.
On constate qu'une nouvelle vague se forme à partir de la fente. Une nouvelle onde se propage. L'amplitude maximale -la hauteur de la vague- se trouve au milieu, on s'en doutait.
Maintenant on recommence les deux expériences avec deux fentes, —les fameuses « fentes d'Young ».
Pour les balles, rien de bien subtil :
Comme on s'y attend, on retrouve deux fois la figure avec une seule fente réponse à 2 balles, je sais. Donc on voit comment se comporte les particules dans cette expérience des deux fentes.
Et pour les ondes ? On reprend notre expérience avec nos ronds dans l'eau.
Cette fois, on constate un autre phénomène : les deux vagues provenant des deux fentes "s'additionnent" ou "s'annulent" en certains endroits. On appelle ce phénomène des interférences :
- constructives en certains endroits —le maximum de chacune des vagues s'est vraiment additionné—
- ou destructives —un maximum de l'une a été annulé par un minimum de l'autre—
et on peut voir toutes les situations intermédiaires.
Et avec de la lumière ?
L'expérience est simple à réaliser : un pointeur laser, un cache avec deux fentes (fines, faites ça avec une lame de rasoir), et regarder le résultat :
Un magnifique sinus cardinal [sin(x)/x] comme on apprend en classe préparatoire.
Et on sait faire mieux, avec plusieurs fentes, et on sait calculer assez facilement le résultat, ce sont des ondes qu'on additionne, rien de mystérieux ni de quantique là-dedans.
L'effet des interférences est encore plus marqué. Si en voyant ça, vous ne concluez pas que la lumière est une onde, alors on ne pourra pas s'entendre.
En regardant un peu plus dans le détail, on constate l'addition de deux phénomènes :
- une figure dite de diffraction avec une seule fente
- une figure d'interférences avec plusieurs fentes
Donc la lumière est une onde,
c'est acté, clair et net.
Sauf que l'on a fait d'autres expériences, en particulier l'effet photoélectrique d'Einstein pour laquelle il a eu le prix Nobel et pas pour la théorie de la relativité, étrange, non ?
Et dans ces autres expériences, on se rend compte qu'on arrive à "compter les photons", un par un. Des particules alors ?
Ce qui provoque un malaise, évidemment. Sortez l'aspirine.