La dualité onde-particule est vraiment un cas particulier
qui touche évidemment à la mécanique quantique
et ça vaut le coup de faire un épisode quasiment hors-série
juste pour ce sujet-là.
[Episode #35 : Dualité onde-corpuscule]
[Générique ♫ e-penser ♫]
Contrairement à mes habitudes, jusqu'à maintenant,
dans cet épisode, il ne sera pas question d'histoires, d'anecdotes,
de qui a pensé que machin...
On fera des épisodes plus tard pour parler de Louis de Broglie,
De Heisenberg, de Bohr, de Schrödinger, de tout ça.
Là, ça vaut le coup de faire un épisode vraiment
où on ne parle que d'explications.
Parce que ce sujet-là
est un des sujets de base de la mécanique quantique
et qu'il est très souvent
très très mal compris.
Et par très très mal compris, ce que je veux dire c'est que très souvent,
avec une interprétation un peu simpliste,
on a l'impression qu'on a pigé,
alors qu'il faut bien comprendre que ce truc-là, on le pige pas, quoi.
Quelle est la question ?
La question, c'est que Maxwell,
quand il a unifié électricité et magnétisme,
il a montré que la lumière, c'était une onde électromagnétique.
Et ça marche très très bien.
Par ailleurs, Einstein, en 1905, quand il a expliqué l'effet photo-électrique
il a montré que la lumière,
c'était des photons.
C'est des particules.
Du coup, mécaniquement, la question
que tout le monde se pose, c'est :
"Comment est ce qu'on peut combiner ces deux aspects-là ?"
(qui semblent assez contradictoires l'un avec l'autre).
Ajoutons à ça, et c'est bien le seul point d'histoire
que je mettrai dans cet épisode,
que lorsque le prince Louis de Broglie
s'est intéressé à la question, lui,
il a estimé quasiment immédiatement
que la question des photons se posait également
pour tous types de particules,
à savoir notamment les électrons,
les protons, les neutrons, etc, etc.
Donc pour lui, toutes les particules...
avaient cette problématique
d'ondes...
et de particules.
Au sens corpusculaire de la particule.
Au sens de, en gros, c'est une bille, ou un petit grain, enfin, c'est un truc solide, enfin, on va y revenir.
Et avant de retourner dans les prochains épisodes
à l'Histoire elle-même,
il va falloir prendre un peu de temps pour réfléchir
à ce qu'est la physique de ces phénomènes-là.
Quelle est la réalité physique...
de ce dont on parle.
Avant toute chose, il va falloir certainement casser
un paquet d'idées reçues.
Pourquoi ? Parce que je sais que la mécanique quantique
est un sujet qui intéresse beaucoup de monde
et qu'on trouve beaucoup de vidéos qui en parlent,
plus ou moins bien, ça dépend des vidéos.
Y'a notamment de plus en plus de vidéastes
et de youtubeurs qui font
de la vulgarisation notamment pour parler de la mécanique quantique.
Alors parfois, à froid, comme ça, sans avoir rien du tout préparé -
[♫ Musique rigolote ♫]
La plupart de ces vulgarisateurs
savent très bien de quoi ils parlent.
Ce qui est une bonne chose.
Soit c'est leur formation, ils sont chercheurs, enfin...
En tous cas, ils sont dans le domaine,
donc, ils comprennent de quoi ils parlent.
Mais c'est évidemment pas le cas de tout le monde
et pour le coup, je vais jeter la pierre à personne,
puisque c'est déjà pas mon cas à moi, hein.
Moi, je suis pas formé à parler de ça, voilà.
Cependant, je pense qu'on est dans un de ces rares domaines
où le fait d'en savoir énormément,
n'est pas nécessairement une bonne chose
pour pouvoir l'expliquer correctement.
Je m'explique :
La plupart des gens qui travaillent dans la physique des particules,
qui travaillent dans la mécanique quantique,
en fait, ils exploitent des équations mathématiques
qui sont très complexes.
Et qui sont surtout très très abstraites.
Et le fait de manipuler régulièrement ces équations mathématiques
peut laisser entendre qu'on a pigé de quoi il s'agit,
sans jamais s'être posé la question de ce que ça signifiait
dans la réalité physique ce qu'on manipulait.
Et c'est comme ça qu'on peut se retrouver
avec des vidéos compréhensibles,
qui sont faites par des experts du domaine,
mais qui sont fausses.
Ces idées reçues sur le sujet, quelles sont elles ?
Vous allez voir que ce sont des choses
que vous avez déjà entendues,
et on va simplement prendre l'exemple d'un électron
pour les lister... quelque part.
Vous avez sans doute déjà entendu dire qu'un électron pouvait être
de temps en temps une onde et de temps en temps un corpuscule.
Faux ! Vous avez peut-être entendu également
qu'un électron était à la fois une onde ET un corpuscule.
Faux !
Vous avez peut-être aussi entendu qu'un électron pouvait être
à deux endroits en même temps,
voire qu'il pouvait se déplacer à deux vitesses différentes...
en même temps.
Faux ! Bref, ce qui ressort de beaucoup de vulgarisation
concernant la mécanique quantique, c'est que,
à l'échelle quantique, il se passe des choses
dont on n'a pas l'habitude dans la réalité,
et qui semblent, en fait, magiques.
Mouais, non, il n'y a pas d'autre mot, c'est totalement magique.
Dire que quelque chose est à deux endroits en même temps,
et se déplacent à deux vitesses différentes en même temps...
Pardon, mais oui c'est magique.
Sauf que ce n'est pas du tout la réalité
de ce qui se passe, et pour une raison très simple  :
c'est qu'on essaie de raconter avec des mots qu'on comprend
quelque chose qu'on n'est pas capable
d'appréhender.
Du tout !
Les phénomènes quantiques sont tout simplement
hors de notre portée.
POINT.
Nous ne pouvons pas comprendre la réalité physique
de la mécanique quantique.
Et quelque part, justement,
dans les différentes vidéos qu'on peut trouver,
on retrouve quelque part cette notion
d'incompréhension, mais qui n'est pas assumée.
On a une incompréhension non assumée.
Qui laisse entendre qu'en fait...
oui, alors, on comprend pas tout à fait tout,
mais c'est parce qu'on vulgarise.
Parce que si on ne vulgarisait pas, en fait,
ce serait trop complexe pour pouvoir l'expliquer,
mais on comprendrait.
Ce qui n'est pas le cas.
Bien sûr, tous les vidéastes ne se comportent pas ainsi,
et notamment il y a une superbe conférence d'Etienne Klein,
qui s'appelle, je crois : "Qu'est ce qu'un objet ?"
Conférence dans laquelle il tord le cou à pas mal
d'idées reçues concernant la mécanique quantique.
Notamment sur les exemples que j'ai pu donner,
quand on dit qu'un électron est à deux endroits en même temps,
qu'est-ce que ça signifie "deux endroits"
et qu'est-ce que ça signifie "en même temps",
à l'échelle d'un électron ?
Et pareil, si on dit qu'un électron
a deux vitesses différentes en même temps,
qu'est-ce que ça signifie "deux vitesses",
et qu'est-ce que ça signifie "en même temps"...
à l'échelle d'un électron ?
Bref ! Pour ceux d'entre vous qui connaissent
cette fameuse citation de Richard Feynman :
"Personne ne comprend vraiment
ce qu'est la mécanique quantique",
Je pense que ce qu'il faut y entendre, c'est justement ça.
C'est le fait que, on ne peut pas
prétendre travailler en mécanique quantique,
si on n'a pas, quelque part, assumé cette incompréhension.
Le fait de dire : oui, effectivement,
c'est totalement hors de ma portée.
Donc voilà, je sais que je n'y pigerai pas grand-chose.
A minima, je sais que je ne la comprendrai pas vraiment.
Quelque part pour l'instant on n'est
pas vraiment entrés dans le vif du sujet
mais on commence à sentir, en creux,
qu'il y a des choses qu'il ne faut pas faire,
quand on veut parler de mécanique
quantique.
Et plus précisément quand on veut parler de dualité onde-particule.
Notamment, la plupart du temps, on nous explique
qu'un électron est une particule,
on a tendance à la visualiser comme une bille.
Ce qui est complètement absurde.
C'est visuellement efficace, on voit bien...
Mais c'est absurde !
Un électron n'est pas une bille !
Ou alors, si c'est une bille, je veux savoir :
1) : est-ce qu'on peut la casser en deux ?
2) : en quoi elle est faite, cette bille ?
et 3) Ça donne quoi un seau plein d'électrons ?
Une analogie qui est pas mal, justement,
pour comprendre cette notion de dualité onde-particule,
c'est celle que j'appelle l'analogie de la canette de coca.
Si vous prenez une canette de coca,
- ou d'une autre boisson, peu importe -
et que vous imaginez que vous pouvez visualiser
les choses, mais que en deux dimensions.
Vous ne pouvez visualiser que des images plates.
Bon ben, si vous regardez votre canette vue du dessus,
vous allez voir un disque, et vous allez dire : "En fait, cet objet...
c'est un disque".
Si, en revanche, vous ne pouvez la voir que par le côté,
vous allez voir un rectangle, et dire : "En fait, cet objet est un rectangle".
Et donc, quelque part, on est confronté à quelque chose d'analogue,
qui consiste à dire qu'on est face à un objet qui est
des fois un disque, et des fois un rectangle,
voire dont on peut dire qu'il est à la fois un disque et un rectangle.
Sauf qu'en réalité, il n'est rien de tout ça : c'est un cylindre.
Mais ça ne suffit pas, parce qu'en fait, cette analogie,
c'est sympa de ce point de vue-là,
mais cette analogie laisse entendre
qu'en fait, le problème que nous avons
avec la mécanique quantique, c'est que nous avons...
uniquement une vision partielle de la chose.
Ce serait, comme de dire voilà, en fait,
effectivement, c'est hors de notre entendement, hors de notre portée,
simplement parce qu'il faudrait pouvoir
voir les choses - je dis n'importe quoi -
en seize dimensions,
et qu'on voit les choses qu'en trois dimensions.
Comme si quelque part, il nous manquait...
une portion de l'information.
Or c'est pas ça.
C'est plus subtil que ça.
Un électron, un photon,
les quarks, enfin... Toutes les autres choses,
ce qu'on appelle communément des particules élémentaires,
[...]
c'est tout simplement hors de notre portée.
Mais alors du coup, pourquoi est-ce qu'on focalise autant
sur cette histoire de "ondes et de particules" ?
Tout simplement parce que la théorie quantique
est basée sur des équations mathématiques,
et que ces équations mathématiques
peuvent être interprétées avec...
une vision ondulatoire, une vision corpusculaire.
Ça dépend de ce qu'on vise, en fait.
Mais, et c'est là où ça rejoint un petit peu ce qu'on disait
dans le dernier épisode à propos de Max Planck,
le fait de pouvoir le manipuler de cette manière mathématiquement
ne signifie pas qu'il y a une réalité physique derrière.
Non !
Donc, si on vous demande :
est-ce qu'un électron est une onde, ou une particule,
ou les deux, ou ni l'un ni l'autre ?
La meilleure réponse c'est :
ni l'un ni l'autre,
voire peut-être une meilleure réponse encore :
c'est ni l'un ni l'autre, mais certainement pas
un corpuscule, en tout cas.
Oui, parce que ça c'est un truc typiquement franco-français
d'envisager la partie "corpusculaire" d'une particule.
Parce qu'en réalité, elle n'a pas vraiment de sens.
Non, en réalité, une particule
tient beaucoup plus de l'onde
qu'autre chose mais attention c'est pas une onde !
Mais...
Voilà, il y a plus de l'onde...
que du corpuscule là-dedans.
La bille, il faut vraiment arrêter, quoi.
Non. Il n'y a pas de bille.
C'est joli pour représenter, voilà, parce que...
C'est pratique, on peut représenter des billes
qui tournent les unes autour des autres...
Ça rappelle un peu les planètes, les étoiles, des choses...
qu'on a l'habitude de voir.
Mais non.
Une meilleure façon d'envisager les choses, peut-être,
est d'entendre la notion d'onde
comme étant une onde de probabilité.
Donc ça, vous en avez peut-être déjà entendu parler.
Mais avant de rentrer là-dedans, il va falloir définir
un peu plus précisément ce que ce que c'est qu'une onde.
Une onde, lorsqu'elle est mécanique,
on voit bien de quoi il s'agit,
même si on ne comprend pas bien, en vrai... Voilà.
Mais c'est vrai que si vous regardez
des vagues à la surface de l'eau
ou si vous réfléchissez au son,
Voilà ! Les ondes mécaniques...
on sent bien que,
voilà, l'onde se propage...
Mais elle fait bouger quelque chose.
Elle fait bouger l'air, elle fait bouger l'eau,
elle fait bouger...
[...]
Peu importe. Elle fait bouger des choses.
Ceci étant, 'faut bien être conscient du fait
que quand vous regardez la surface de l'eau,
et que vous voyez donc les rides comme ça,
donc, qui manifestent des ondes,
la vague en question n'est pas l'onde.
La vague est la manifestation de l'onde sur l'eau.
C'est pas la même chose.
Je veux dire, les vagues,
ce sont des gouttes d'eau les unes contre les autres,
'fin des molécules d'eau les unes contres les autres,
voilà, qui bougent à cause des ondes.
Bon, tout ça c'est très bien, mais une onde électromagnétique,
ça fait bouger quoi ?
Et c'est là où tout le travail de Maxwell a été important,
pour montrer justement qu'une onde électromagnétique
ne fait pas vraiment bouger...
quoi que ce soit, je veux dire, elle peut se propager dans le vide.
Mais elle est parfaitement liée,
elle est fortement liée à une notion de champ.
Et le champ, rappelez-vous, c'est quelque part...
pour le dire simplement,
une propriété de l'espace...
dans une situation donnée.
Par exemple, pour le champ gravitationnel,
vous avez l'espace, et vous mettez dedans une étoile,
cette étoile va provoquer
un champ gravitationnel autour d'elle.
C'est-à-dire qu'en tout point de l'espace, vous allez pouvoir définir
l'accélération gravitationnelle
qui pointe vers cette étoile.
On l'avait vu quand on avait parlé de relativité générale.
Pour les ondes électromagnétiques,
c'est un petit peu de cet ordre-là.
C'est-à-dire que les ondes électromagnétiques
se propagent...
potentiellement dans rien, mais en réalité dans des champs.
Et ce que nous disent les mathématiques
concernant les particules
à l'échelle quantique,
c'est qu'en fait,
"""tout se passe comme si"""
- cette formule est hyper importante, le "tout se passe comme si"
ça signifie :
mathématiquement, ça décrit la même chose
que si ça se passait dans la réalité.
Mais personne ne prétend que ça se passe dans la réalité.
Il y a des fois, oui, c'est le cas.
Par exemple, les équations mathématiques qui montrent que
si je lance une balle
elle va faire une forme de parabole, etc.
Calculer sa trajectoire, les mathématiques rendent assez compte
de la réalité de la chose.
Mais très souvent, c'est pas le cas,
notamment à l'échelle quantique.
Et donc, "tout se passe comme si", ça signifie :
si on ne sait pas de quoi il s'agit, on n'a pas de contexte ni rien,
on voit cette équation mathématique, on pourrait se dire :
"Oh, mais c'est un peu comme si on parlait de telle chose".
[...]
Sans que ce soit nécessairement le cas.
Bref ! Pour ces équations mathématiques, donc,
tout se passe comme si, dans certains cas,
on était confronté à des petites billes,
précisément à des points mathématiques,
donc, ça veut dire des points de dimension nulle.
Qui n'ont pas de taille.
Et parfois, les équations mathématiques nous disent que
bah tout se passe comme si on était confronté à une onde,
notamment quand on verra l'expérience des 2 fentes de Young,
on verra que c'est tout à fait ce qui se passe,
c'est-à-dire que selon l'observation qu'on fait,
selon la façon dont on appréhende cette expérience,
on peut voir des billes qui se promènent,
comme on peut voir des ondes qui se propagent.
On peut voir les deux.
Mais du coup alors, comment est-ce qu'on est censé voir,
comment est-ce qu'on est censé visualiser...
[...]
ce qu'est une particule au sens :
est-ce que c'est une onde, ou est-ce que c'est un corpuscule ?
Ce qu'on fait classiquement aujourd'hui,
c'est qu'on considère une particule
comme étant...
allez... une bille,
[...]
et en observant l'onde associée à cette particule,
on estime que cette onde est la "probabilité de présence"
de cette bille.
C'est-à-dire que là où l'onde est au max,
c'est là où vous avez le plus de chance,
à l'instant de votre mesure,
de percevoir votre bille.
Et là où l'onde est la plus basse,
c'est là où vous avez le moins de chance
de trouver cette bille.
Mais rappelez-vous bien que dans la réalité,
il n'en est rien.
Il n'y a pas de bille.
Une onde de probabilité,
*tsk*
oui, c'est bien possible.
Mais PAS de bille.
Donc logiquement là, on est arrivés à un stade où vous vous dites :
"Quelque part, on est en train de tourner en rond,
et je suis pas sûr que je pige où est-ce qu'il veut nous emmener."
Si c'est le cas, c'est très bien.
En réalité, il n'y a pas vraiment de notion de dualité onde-corpuscule.
C'est-à-dire qu'Einstein lui-même,
quand il explique l'effet photoélectrique,
ne visualise pas les photons comme des petites billes.
Mais comme...
une densité d'énergie répartie sur un espace très court,
[...]
véhiculée par une onde électromagnétique
qui se trouve être la lumière.
Donc la formule est un peu alambiquée,
mais en gros ce que ça signifie
c'est très exactement ce qu'on a dit juste avant.
A savoir que l'on a
une onde qui, quelque part, existe, potentiellement,
qui se propage,
et que sur cette onde, y'a...
quelque part,
un photon.
Et que ce photon n'est représenté que par l'énergie qu'il véhicule.
Pas de bille.
Donc maintenant,
si je voulais résumer un peu la chose,
parce que là, j'avoue que franchement, c'est raide.
lorsqu'on vous parle de particules, selon le cas,
selon l'étude, selon ce qu'on est en train de faire,
vous allez pouvoir parfois considérer que c'est comme une petite bille,
exactement, c'est-à-dire comme un objet mathématique
qui est un point,
[...]
un objet de dimension nulle, juste un point.
Mais que dans d'autres cas,
la meilleure approche est l'approche ondulatoire
et donc vous allez considérer cette particule
comme une onde.
Ça c'est vraiment la façon dont vous allez traiter mathématiquement
ce que vous faites.
Vous avez des équations qui vous le permettent,
vous allez vous lâcher là-dessus.
Si vous avez envie d'avoir une meilleure
compréhension physique de la chose,
vous allez imaginer
une particule comme étant...
[...]
Allez ! Une "boule d'énergie"
c'est un très vilain mot de parler de boule à ce stade-là,
je suis d'accord, mais
comme étant une densité d'énergie
qui a une probabilité
de se trouver à un endroit donné - cette probabilité étant donnée par
l'onde qui lui est associée.
C'est-à-dire que cette particule
a une onde,
et cette onde nous dit,
à tout moment,
où est-ce qu'on a le plus ou le moins de chances de trouver
cette densité d'énergie-là.
Mais si vous vous posez la question
de la réalité physique de la chose...
[...]
On n'en sait rien.
Et on n'en saura probablement jamais rien.
Parce que c'est quelque chose qui, par nature,
nous échappe.
Merci à toutes et à tous d'être
de plus en plus nombreux à vouloir e-penser.
Cet épisode est un petit peu difficile.
C'est un épisode un peu hors série.
Je vous assure en revanche qu'il est important
de l'avoir bien en tête pour la suite.
Parce que toutes les analogies qu'on va faire ensuite
vont se baser avec ce pré-requis-là,
qui est de :
"qu'est-ce qu'on a bien compris
de la dualité onde-corpuscule ?"
Ceci dit, 'vous bilez pas plus que cela de toute façon,
le but, c'est que, à la fin des épisodes sur la mécanique quantique,
on soit absolument tous
incapables d'expliquer ce qu'on a compris,
puisqu'on est censé ne rien avoir compris.
Ou en tout cas pas vraiment.
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à faire quand on aime une chaîne.
Et d'ici là, ce qu'il me reste à dire, ben...
pour pas changer, restez curieux...
et là vraiment, vraiment, vraiment...
[...]
prenez le temps d'e-penser.
#Sous-titres : Collaboratifs.
#Relecture : El Micà
