La dualité onde-particule


Avant de présenter un aspect plutôt mystérieux de la physique, le paradoxe EPR, revenons sur l’un des aspects fondamentaux de la mécanique quantique : la dualité onde-particule.

Max Born

Max Born, Breslau 1882 – Göttingen 1970, père de l’interprétation statistique de la fonction d’onde en mécanique quantique. Crédit : Wikimedia Commons

La lumière est bien connue pour présenter deux aspects complémentaires selon la façon dont on l’étudie. La lumière est à la fois un phénomène ondulatoire, d’où le concept de longueur d’onde, et un phénomène corpusculaire, comme en témoignent les photons. Mais d’après la mécanique quantique, cette complémentarité des deux aspects ne concerne pas que la lumière, elle s’applique également aux particules.

L’aspect ondulatoire des particules

Les électrons, par exemple, sont généralement présentés comme de minuscules petites billes qui tournent autour d’un noyau. Pourtant ils peuvent selon les circonstances se comporter comme des ondes. Ainsi, lorsqu’ils sont projetés sur un cristal, les électrons donnent lieu à un phénomène de diffraction. Il s’agit là d’un processus purement ondulatoire qui prouve que les électrons ne peuvent pas simplement être considérés comme de minuscules billes. En fait, comme la lumière, la matière doit être décrite en utilisant simultanément les concepts d’onde et de particule, ce que l’on résume par le terme de dualité onde-particule.

Cette dualité change complètement notre vision du monde microscopique. Contrairement à une particule au sens classique du terme, une onde n’est pas localisée dans l’espace, elle n’a pas de position précise. Ainsi, dès que nous cessons de l’observer, un électron développe son aspect ondulatoire et ne possède plus de position précise. Il nous est alors impossible de prédire avec certitude où la particule se trouvera la prochaine fois que nous l’observerons. Le déterminisme qui dominait la physique classique disparaît totalement en mécanique quantique.

Une description probabiliste

Cela ne veut pas dire que le physicien est complètement démuni. En fait, la mécanique quantique permet de donner une description probabiliste de la position de l’électron. Il est en effet possible de calculer la probabilité de trouver l’électron à un endroit donné. L’onde associée à la particule n’est pas tangible comme les ondes sonores ou les vagues, il s’agit plutôt d’une onde porteuse d’information sur la probabilité de trouver l’électron en un point donné. Ainsi, la particule a une forte probabilité de se trouver dans les zones de grande amplitude de l’onde, mais très peu de chances d’apparaître en des points où cette amplitude est faible.

Le déterminisme de la mécanique classique est donc remplacé par une description statistique. Il n’est plus envisageable de prédire avec exactitude la position d’une particule, mais il nous reste néanmoins la possibilité de décrire cette position en terme de probabilité.

La fusion dans les étoiles

Une preuve astrophysique du fait que les particules se comportent comme des ondes nous est apportée par le Soleil. L’énergie de notre étoile provient des réactions de fusion qui se déroulent en son sein. Mais la fusion de deux protons est un processus très difficile. Les protons ont tous la même charge électrique et une très vive force de répulsion les empêche de se rapprocher. Il se trouve que l’énergie des protons au centre du Soleil est théoriquement insuffisante pour surmonter cet obstacle et la fusion devrait donc être impossible.

Cependant, d’après la mécanique quantique, la position d’une particule n’est pas déterminée exactement. Même si deux protons ne peuvent théoriquement pas se toucher du fait de leur répulsion électrique, le flou sur leur position leur permet de le faire. Ceci arrive très rarement car la probabilité est très faible et la fusion de deux protons est donc un phénomène peu fréquent. Néanmoins, comme le Soleil contient une énorme quantité de protons, les réactions nucléaires se font en grande quantité et lui permettent de briller.


Page mise à jour le 10 septembre 2017 par Olivier Esslinger