Microsoft Word - APPROCHES VULGARIS2ES deLA m\351canique quantique.doc

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• cours - matière potentielle : du xixe siècle

1 APPROCHES VULGARISEES DE LA MECANIQUE QUANTIQUE Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique fixe un cadre mathématique cohérent qui a permis de remédier à tous les désaccords entre certains résultats expérimentaux mis en évidence à la fin du XIXe siècle et les prédictions théoriques correspondantes de la physique classique. La mécanique quantique a repris et développé l'idée de dualité onde- particule1 introduite par Louis de Broglie en 1924 consistant à considérer les particules de matière non pas seulement comme des corpuscules ponctuels, mais aussi comme des ondes, possédant une certaine étendue spatiale (voir Mécanique ondulatoire).

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Extrait

1
APPROCHES VULGARISEES DE LA
MECANIQUE QUANTIQUE
Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique fixe un cadre mathématique
cohérent qui a permis de remédier à tous les désaccords entre certains résultats expérimentaux
emis en évidence à la fin du XIX siècle et les prédictions théoriques correspondantes de la
physique classique. La mécanique quantique a repris et développé l'idée de dualité onde-
1particule introduite par Louis de Broglie en 1924 consistant à considérer les particules de
matière non pas seulement comme des corpuscules ponctuels, mais aussi comme des ondes,
possédant une certaine étendue spatiale (voir Mécanique ondulatoire). Niels Bohr a introduit
le concept de « complémentarité » pour résoudre cet apparent paradoxe : tout objet physique
est bien à la fois une onde et un corpuscule, mais ces deux aspects, mutuellement exclusifs,
2ne peuvent être observés simultanément . Si l'on observe une propriété ondulatoire, l'aspect
corpusculaire disparaît. Réciproquement, si l'on observe une propriété corpusculaire,
l'aspect ondulatoire disparaît. En 2008, aucune contradiction n'a pu être décelée entre les
prédictions de la mécanique quantique et les tests expérimentaux associés. Malgré cela, la
théorie continue d'être mal comprise par le public car elle repose sur un formalisme
mathématique abstrait, qui rend son abord assez difficile pour le profane.
1 ) Introduction
Un des grands problèmes de la physique quantique est de donner des images. En effet,
l'être humain a besoin d'images pour réfléchir, pour retenir. À titre d'exemple, lorsqu'on ne
connaît quelqu'un que par la voix (on l'a eu au téléphone ou entendu à la radio) et que l'on voit
la personne pour la première fois, on se dit « c'est bien comme cela que je me l'imaginais » ou
bien au contraire « je ne me l'imaginais pas du tout comme cela » ; notre cerveau a donc

1 Dualité onde-particule
En physique, la dualité onde-particule ou dualité onde-corpuscule est un principe selon lequel tous les objets de l'univers
microscopique présentent simultanément des propriétés d'ondes et de particules. Ce concept fait partie des fondements de la
mécanique quantique. Cette dualité tente de rendre compte de l'inadéquation des concepts conventionnels de « particules » ou
d'« ondes », pris isolément, à décrire le comportement des objets quantiques. L'idée de la dualité prend ses racines dans un
edébat remontant aussi loin que le XVII siècle siècle, quand s'affrontaient les théories concurrentes de Christiaan Huygens qui
considérait que la lumière était composée d'ondes et celle de Isaac Newton qui considérait la lumière comme un flot de
particules. À la suite des travaux de Albert Einstein, Louis de Broglie et bien d'autres, les théories scientifiques modernes
accordent à tous les objets une nature d'onde et de particule, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu'à des échelles
microscopiques. Il est important de mentionner que c’est l’absence d’équivalent macroscopique sur quoi nous pourrions nous
référer qui nous force à penser les objets quantiques comme possédant des attributs contradictoires. Il serait inexact de dire
que la lumière (comme tout autre système quantique d’ailleurs) est à la fois une onde et à la fois une particule, ce n’est ni
l’un, ni l’autre. Le manque d'un vocabulaire adéquat et l'impossibilité de se faire une représentation mentale intuitive des
phénomènes à petite échelle nous font voir ces objets comme ayant une nature, par elle même, antinomique. Pour lever cet
apparent paradoxe et insister sur l'imperfection de nos concepts classiques d'onde et de corpuscule, les physiciens Jean-Marc
Lévy-Leblond et Françoise Balibar ont proposé d'utiliser le terme de « quanton » pour parler d'un objet quantique. Un
quanton n'est ni une onde, ni un corpuscule, mais peut présenter les deux aspects selon le principe de complémentarité de
Bohr. Cette terminologie a du mal à s'imposer dans l'enseignement français. Le principe de complémentarité fut introduit à
Copenhague par Niels Bohr suite au principe d'indétermination de Werner Heisenberg comme approche philosophique aux
phénomènes apparemment contradictoires de la mécanique quantique, par exemple : celui de la dualité onde-corpuscule.
Dans sa forme la plus simpliste, il stipule qu'un « objet quantique » ne peut se présenter que sous un seul de ces deux aspects
à la fois. Souvent associé à l'école de Copenhague, ce principe est à présent un des concepts fondamentaux de la mécanique
quantique. L'expérience des fentes de Young en a fait une démonstration simple et efficace.

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construit une image pour désigner cette personne, bien que l'on ne l'ait jamais vue. Le
problème en physique quantique est que, pour se représenter les objets (particules
élémentaires), il faut faire appel à deux notions : les ondes et les particules solides. On ne
peut se construire des images que par analogie avec ce que l'on connaît, avec notre expérience
quotidienne. Ainsi, lorsque l'on s'imagine une onde sonore, il nous vient à l'esprit les vagues
sur l'eau ; lorsque l'on s'imagine une particule, il nous vient à l'esprit une bille. Les deux
notions sont donc opposées et incompatibles :
Propriétés macroscopiques des ondes et particules
Particule Onde
localisée, d'extension définie délocalisée (un son peut être entendu dans toute la pièce)
création et destruction création et destruction facile (pincer ou arrêter une corde de
1impossible guitare)
séparés, impossibles à
addition simple (interférences) 1fusionner
Ceci cause un grand trouble, une incompréhension, et entraîne fréquemment un blocage,
notamment lorsque l'on se pose la question : « si une particule est bien localisée lors d'une
interaction, comment se fait-il qu'elle ne le soit pas hors interaction ? »
Métaphore du cylindre : objet ayant à la fois les propriétés La métaphore du
d'un cercle et d'un rectangle. La métaphore du cylindre est cylindre
l'exemple d'un objet ayant des propriétés apparemment
inconciliables. Il serait à première vue incongru d'affirmer
qu'un objet a à la fois les propriétés d'un cercle et d'un
rectangle : sur un plan, un objet est soit un cercle, soit un
rectangle. Mais si l'on considère un cylindre : une projection
dans l'axe du cylindre donne un cercle, et une projection
perpendiculairement à cet axe donne un rectangle. On a
donc bien un objet ayant les propriétés de l'un et de l'autre
(mais il n'est ni l'un, ni l'autre). « Onde » et « particule »
sont des manières de voir les choses et non pas les choses
en elles même.

Notons par ailleurs que dans la description mathématique de la physique quantique, le
résultat de la mesure est similaire à une projection géométrique (notion d'observable : l'état
de l'objet est décrit par des nombres que l'on peut voir comme des coordonnées dans une base
vectorielle, et en géométrie euclidienne, les coordonnées sont la projection de l'objet sur les
axes de référence).
2) Historique du concept Dualité onde-particule. La dualité onde-
particule s'est imposée au terme d'une longue histoire où les aspects purement ondulatoires et
corpusculaires ont été tour à tour privilégiés. Ces aspects ont tout d'abord été mis en évidence
eavec les théories de la lumière, avant d'être étendus — au XX siècle — à tous les objets
physiques. 3

Huygens et Newton La première théorie complète de la lumière a été établie par le physicien
néerlandais Christiaan Huygens au XVIIe siècle. Il proposait une théorie ondulatoire de la
lumière et a en particulier démontré que les ondes lumineuses pouvaient interférer de manière
à former un front d'onde se propageant en ligne droite. Toutefois, sa théorie possédait
certaines limitations en d'autres domaines et fut bientôt éclipsée par la théorie corpusculaire
de la