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Qu’est-ce que l’expérience des fentes de Young et quelle en est la conséquence ? - Matière et Révolution
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Qu’est-ce que l’expérience des fentes de Young et quelle en est la conséquence ?

mardi 28 février 2012, par Robert Paris

Même en arrivant un par un, les corpuscules reconstituent les figures d’interférence.

L’expérience des fentes de Young est un des fondements de la remise en cause de la physique dite classique et son remplacement par la physique quantique.

Dans la physique classique, la matière est corpusculaire et la lumière est ondulatoire.

L’expérience montre que les deux sont à la fois ondulatoire et corpusculaire.

Dans la physique classique, la mécanique est prédictive alors qu’en physique quantique on n’accède qu’à une probabilité.

L’avantage de la nouvelle physique est qu’elle permet de calculer les résultats obtenus dans des expériences de type de Young ; c’est-à-dire qui mettent en jeu le microscopique (corpuscules élémentaires de matière et de lumière).

L’inconvénient, pensent les scientifiques, c’est qu’elle introduit une contradiction dialectique : les éléments fondamentaux sont à la fois une chose et son contraire, onde et particule.

Je dis inconvénient par ironie, mais il est difficile d’imaginer à quel point c’est renversant pour toutes les croyances précédentes et même actuelles.

Essayons de montrer pourquoi de manière simple.

Tout d’abord, il faut voir que l’on assiste à ce que l’on appelle des interférences qui ressemblent à ce que l’on voit dans les ondes.

Mais, dans le cas des ondes qui traversent deux fentes, la même onde interfère avec elle-même et produit l’interférence c’est-à-dire une suite de hauts et de bas. Les différences entre les deux chemins passant par l’une et l’autre fente fait que les deux phénomènes sont additifs ou soustractifs.

Or, dans le cas de l’expérience de Young, on va réduire la puissance au point d’envoyer de la lumière en quantité minimale. A l’arrivée, on va s’assurer que ce qui arrive c’est des grains quantiques de lumière. On les capte par un phénomène photoélectrique typique des quanta.

Du coup, il est certain que le photon est passé par une fente ou par l’autre. Comment le photon peut-il interférer puisqu’il ne passe que par une fente et qu’on envoie les photons indépendamment, un par un ?

Par le calcul probabiliste qu’elles mettent en place, les premières théories quantiques vont mathématiquement retrouver les résultats mais renoncer à toute explication selon laquelle il se passe ceci, tel objet fait cela...

La seule manière d’interpréter est de reconnaitre que le photon ( ou l’électron puisqu’on peut faire l’expérience de Young avec des électrons) n’est pas seulement un corpuscule, qu’il est entouré d’une nuage du vide qui détermine les positions des particules et qui, lui, passe par les deux fentes...

Mais cela suppose que le monde matériel est pétri de contradictions dialectiques irréductibles :

- l’ordre est émergent (issu du désordre)

- le local et le non-local (étendu) sont inextricablement imbriqués

- le temps et l’espace sont issus d’un univers où espace et temps sont agités et, en particulier, l’écoulement du temps provient du vide où le temps est désordonné...

- il n’existe aucune image non contradictoire de l’univers matériel et il n’existe aucune image non dynamique non plus de la matière et de la lumière

- l’existence est inséparable de la destruction

- la base de la matière comme du vide est située dans le vide quantique constitué d’une contradiction fondamentale : des couples particule/antiparticule

Une des manières les plus claires de mettre en évidence la dualité onde-particule est l’expérience des fentes de Young. Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d’abord mis clairement en évidence l’aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule non seulement de la lumière, mais aussi de tout autre objet quantique. Dans la description qui suit, il sera question de lumière et de photons mais il ne faut pas perdre de vue qu’elle est également applicable - du moins en principe - à toute autre particule (par exemple des électrons), et même à des atomes et à des molécules.

L’expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d’émission lumineuse. Une plaque photographique placée derrière l’écran enregistre la lumière issue des deux fentes. Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique ce que l’on appelle une figure d’interférence . Cette figure est caractéristique d’un comportement ondulatoire de la lumière. Si l’expérience en reste à ce niveau, l’aspect corpusculaire n’apparaît pas. En fait, il est possible de diminuer l’intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule.

En effet, si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes (par exemple), donc de "vraies" particules, on n’obtient aucune figure d’interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes. Or, dans le cas des photons, on retrouve la figure d’interférence reconstituée petit à petit, à mesure que les photons apparaissent sur la plaque photographique. On retrouve donc une figure d’interférence, caractéristique des ondes, en même temps qu’un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique. L’interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d’impacts sur la plaque photographique sont inexplicables ; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d’interférence, puis de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s’expliquent aisément, mais la figure d’interférence ne s’explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d’autres interdites à ces particules ? Force est donc de constater une dualité onde-particule des photons (ou de tout autre objet quantique), qui présentent simultanément les deux aspects. Interprétation de la dualité

En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule sont décrits par une fonction d’onde qui code la densité de probabilité de toute variable mesurable (nommées aussi observable). La position d’une particule est un exemple d’une de ces variables. Donc, avant qu’une observation soit faite, la position de la particule est décrite en termes d’ondes de probabilité. Les deux fentes peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent. Sur la plaque photographique, il se produit ce que l’on appelle une réduction du paquet d’onde, ou une décohérence de la fonction d’onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d’onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d’autres (franges sombres). Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu’à ce qu’une observation soit faite, la position d’une particule est décrite en termes d’ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

INTERPRÉTATION MODERNE

Cette question a donné lieu aux plus grandes polémiques et elles ne sont pas éteintes.

Cependant, il semble que l’on puisse renoncer aux erreurs passées sur ce thème. Il ne s’agit pas là d’une limite de la connaissance humaine. il ne s’agit pas non plus du fait que c’est l’observation qui créerait la réalité. Ni encore

Non, seulement la réalité est bien différente de ce que nous imaginions.

Qu’est-ce que cela signifie ?

Il n’y a pas d’objets matériels au sens où on l’entend et où ils apparaissent à notre échelle macroscopique : des choses indépendantes du milieu qui les entoure.

Michel Paty dans « Nouveaux voyages au pays des quanta » :

« L’électron interagit avec les « paires virtuelles » de son propre champ électromagnétique. (…) Le vide quantique contient de telles paires virtuelles et cet effet a été observé sous le nom de « polarisation du vide ». L’électron se trouve interagir avec la charge d’un des éléments de la paire virtuelle, en sorte qu’un électron quantique n’est jamais « nu » mais « habillé » d’un essaim ou nuage de paires virtuelles qui polarisent son environnement immédiat et modifient, par voie de conséquence, ses niveaux d’énergie. (…) La procédure dite de renormalisation considère que la masse et la charge physique de l’électron sont celles de l’électron « habillé » et non celles de l’électron « nu ». ce dernier n’existe pas réellement, puisqu’il est toujours impensable sans son champ. »

Louis de Broglie, dans « Le dualisme des ondes et des corpuscules dans l’œuvre d’Albert Einstein » :

« La continuité semblait régner dans le domaine du champ électromagnétique et du rayonnement tandis que la discontinuité granulaire s’introduisait, par ailleurs et assez arbitrairement, pour représenter l’existence certaine des sources quasi ponctuelles du champ électromagnétique liées à la matière électrisée. Cette dissymétrie donnait à la doctrine de Lorentz sur les électrons quelque chose qui n’était pas satisfaisant malgré la beauté du formalisme et le succès remarquable de certaines des prévisions obtenues. Si la dualité des ondes et des corpuscules paraissait expulsée depuis Fresnel de la théorie de la lumière par suite du triomphe de la conception exclusivement ondulatoire, on ne pouvait pas dire qu’il en était de même dans l’ensemble de notre représentation du monde physique. D’ailleurs, pour ceux qui connaissaient bien l’histoire des sciences, il y avait une autre raison, un peu oubliée sans doute, de penser qu’il existait une liaison cachée entre les concepts d’onde et de corpuscule dont ne rendait pas compte la Physique de 1900. Je fais allusion ici à cette belle théorie de Mécanique analytique qui fut développée, il y a quelque 120 ans, par Hamilton et par Jacobi et qui fait correspondre à un ensemble de mouvements de corpuscules dans un champ de force donnée la propagation d’une onde dans cette région de l’espace à l’approximation de l’Optique géométrique. Cette saisissante image permettait d’identifier les trajectoires des corpuscules associés à l’onde aux « rayons » de cette onde définis par l’optique géométrique comme les courbes orthogonales aux surfaces d’égale phase. Ainsi était apparue une correspondance, d’une nature très profonde, quoique limitée, il est vrai, au domaine de validité de l’optique géométrique, entre le mouvement d’un corpuscule et la propagation d’une onde et je pense que l’importance du lien ainsi établi ne saurait être surestimée… Mais à l’époque où écrivaient Hamilton et Jacobi et dans la période qui suivit, aucun sens physique précis n’avait été donné à cette représentation et l’onde introduite par leur théorie avait été considérée comme une onde fictive, simple artifice mathématique permettant de se représenter simultanément tout un ensemble de trajectoires possibles. La précieuse indication que le formalisme d’Hamilton-Jacobi pouvait fournir sur la véritable nature du dualisme onde-corpuscule avait été méconnue par les savants du XIX e siècle habitués, nous l’avons vu plus haut, à employer dans des domaines séparés les notions d’onde et de corpuscule. Mais bientôt, dans le domaine même du rayonnement d’où il paraissait exclu à jamais, cet étrange dualisme allait réapparaître sous une forme aussi inattendue qu’inquiétante pour les théoriciens.

La plus connue et la plus convaincante des expériences quantiques menant à renoncer à l’image classique de la physique est toujours l’expérience des fentes de Young. On se souvient qu’il s’agit de l’émission par une source qui est envoyé sur un écran en passent par deux fentes proches. On constate que les émissions lumineuses causent des impacts discrets (ponctuels) sur un écran, que les émissions de particules produisent des interférences sur l’écran. Et surtout, on remarque que, même si un corpuscule passe par une seule fente, il n’est pas équivalent de fermer ou pas l’autre fente. En effet, en la fermant, on empêche (dans le cas de fentes suffisamment étroites) le milieu agité par la présence du corpuscule avant les fentes de passer après les fentes. Du coup, le corpuscule est dispersé après le passage de la fente. La relation entre matière et vide est donc à la base de la compréhension des phénomènes quantiques. Remarquons qu’il y a bien longtemps, plusieurs expériences (comme la pression du vide sur la matière ou effet Casimir) d’action du vide sur la matière avaient déjà été mises en évidence. Cependant, on considérait toujours que le vide était le milieu qui ne perturbait pas le mouvement de la lumière (puisqu’on la considérait comme à rectiligne uniforme dans le vide) et le mouvement ou le changement de la matière. La conception selon laquelle matière et vide interagissent sans cesse au cours du processus fondamental de chaque particule est donc un renversement considérable de point de vue.

Comment concevoir qu’un corpuscule qui arrive comme un grain sur un écran (un par un et localisé) puisse dessiner une figure d’interférence si la source émet un grand nombre de corpuscules qui passent par deux fentes ouvertes alors qu’il n’y a pas d’interférence quand on ferme une fente ? Les corpuscules arrivant de façon discrète, un par un et indépendamment les uns des autres, il faut considérer que l’interférence a lieu pour un corpuscule seul. Le corpuscule ne peut interférer qu’avec lui-même en conséquence. Comment est-ce possible qu’il n’interfère avec lui-même que lorsque les deux fentes sont ouvertes ? C’est qu’il faut que quelque chose passe aussi par la deuxième fente. Rappelons nous que les expériences de fentes fonctionnent avec des fentes suffisamment étroites pour laisser passer le corpuscule sans laisser passer l’onde du corpuscule, agitation du vide qui entoure le corpuscule et se propage autour. C’est cette agitation qui parvient à passer par la deuxième fente si elle est ouverte puis rejoint le corpuscule derrière les fentes. L’expérience des fentes de Young nécessite que le corpuscule interfère avec le vide, tantôt destructivement tantôt constructivement. Cela signifie que, de façon très brève, le corpuscule est inhibé par le vide. Son agitation interne supprime la structure du corpuscule puis la reconstruit en un temps très court. C’est un processus de rétroaction (inhibition de l’inhibition). C’est ce processus qui est fondamental pour le photon. Le corpuscule lumineux n’est le sujet d’un processus périodique qu’à cause de la rétroaction du vide qui détruit périodiquement le corpuscule. C’est le seul processus qui permette de rendre compte à la fois des effets type grain du rayonnement (comme l’arrivée discrète et localisée sur un écran, l’effet Compton, l’effet photoélectrique [13], etc) et de des effets type onde (périodicité, phase, interférences destructives et constructives entre deux rayonnements, etc). Par exemple, un photon se transforme en couple éphémère électron antiélectron. D’autres particules d’interaction se transforment en proton antiproton. Ces couples se recomposent ensuite avec de la matière ou avec des particules et antiparticules éphémères du vide.

La particule matérielle ou l’atome sont eux aussi sujets au même caractère double (onde/corpuscule) dont la contradiction provient du fait que les effets sont apparemment logiquement opposés (localisé/étendu dans tout l’espace, interférence/pas d’interférence, etc). Ces phénomènes ne peuvent se produire que si la particule matérielle subit les mêmes interférences avec le vide sur un temps beaucoup plus court. Ces interférences entre particule et vide sont les ondes de Broglie. Bien d’autres phénomènes quantiques ne peuvent être interprétés que comme l’interaction entre le corpuscule et son milieu. C’est le cas du moment cinétique. L’électron isolé en a un qui n’est pas nul alors qu’en physique classique toute particule isolée a un moment cinétique nul. Cela signifie que l’électron n’est pas isolé mais en connexion avec le vide agité que représente son milieu, ce que l’on appelle son onde. Ondulatoire comme le corpuscule lumineux, il disparaît aussi mais dans un temps trop court pour être perçu. Par contre ses propriétés d’interférence avec le vide montrent que lui aussi disparaît puis réapparaît. En conclusion, le processus fondamental qui maintient la particule dans son état pendant un certain temps consiste en sa disparition et sa réapparition de façon permanente et très rapide. Cela explique également qu’il soit impossible de suivre un corpuscule de façon continue puisqu’il disparaît périodiquement et ne réapparaît pas exactement au même endroit. D’où le caractère flou à une petite échelle des corpuscules et des atomes qui a été l’une des découvertes étonnantes de la physique quantique. C’est en effet en contradiction avec les propriétés de l’atome à notre échelle, humaine. Quand on examine des atomes dans un grand groupe d’atomes, ils ne se comportent pas de façon floue, ils n’ont pas l’air ni d’apparaître ni de disparaître. Ils sont « classiques » et non « quantiques ». La séparation, qui a fait couler tant d’encre, entre classique et quantique (expérience de pensée du chat de Schrödinger par exemple) s’expliquerait donc par l’effet destructif et constructif du vide. Lorsque les atomes sont nombreux à proximité, les messages qu’ils échangent (photons) suppriment l’effet destructif de l’agitation du vide. Cette agitation interne permanente du vide a été longtemps ignorée. C’est elle qui est en cause dans les inégalités d’Heisenberg. Le vide agite la matière comme la lumière. A l’échelle d’un corpuscule, elle rend le mouvement et la présence du corpuscule flous. Elle empêche de connaître précisément les deux.

Lire ici

Certains affirment que les expériences quantiques sont soit ondulatoires soit corpusculaires, de manière exclusive et cela est faux. L’exemple des fentes de Young montre que l’aspect corpusculaire des impacts sur l’écran n’empêche pas l’aspect ondulatoire des interférences au bout d’un grand nombre d’impacts corpusculaires.

18 Messages de forum

  • C’est l’un des phénomènes renversants de la physique quantique.

    On était à la recherche des particules élémentaires et on trouve des ondes.

    On était à la recherche des ondes et on trouve des particules d’interaction.

    On trouve que chacun a une double identité.

    Répondre à ce message

  • L’expérience des fentes de Young est un des fondements de la remise en cause de la physique dite classique et son remplacement par la physique quantique.

    Dans la physique classique, la matière est corpusculaire et la lumière est ondulatoire.

    L’expérience montre que les deux sont à la fois ondulatoire et corpusculaire.

    Dans la physique classique, la mécanique est prédictive alors qu’en physique quantique on n’accède qu’à une probabilité.

    L’avantage de la nouvelle physique est qu’elle permet de calculer les résultats obtenus dans des expériences de type de Young ; c’est-à-dire qui mettent en jeu le microscopique (corpuscules élémentaires de matière et de lumière).

    L’inconvénient, pensent les scientifiques, c’est qu’elle introduit une contradiction dialectique : les éléments fondamentaux sont à la fois une chose et son contraire, onde et particule.

    Je dis inconvénient par ironie, mais il est difficile d’imaginer à quel point c’est renversant pour toutes les croyances précédentes et même actuelles.

    Essayons de montrer pourquoi de manière simple.

    Tout d’abord, il faut voir que l’on assiste à ce que l’on appelle des interférences qui ressemblent à ce que l’on voit dans les ondes.

    Mais, dans le cas des ondes qui traversent deux fentes, la même onde interfère avec elle-même et produit l’interférence c’est-à-dire une suite de hauts et de bas. Les différences entre les deux chemins passant par l’une et l’autre fente fait que les deux phénomènes sont additifs ou soustractifs.

    Or, dans le cas de l’expérience de Young, on va réduire la puissance au point d’envoyer de la lumière en quantité minimale. A l’arrivée, on va s’assurer que ce qui arrive c’est des grains quantiques de lumière. On les capte par un phénomène photoélectrique typique des quanta.

    Du coup, il est certain que le photon est passé par une fente ou par l’autre. Comment le photon peut-il interférer puisqu’il ne passe que par une fente et qu’on envoie les photons indépendamment, un par un ?

    Par le calcul probabiliste qu’elles mettent en place, les premières théories quantiques vont mathématiquement retrouver les résultats mais renoncer à toute explication selon laquelle il se passe ceci, tel objet fait cela...

    La seule manière d’interpréter est de reconnaitre que le photon ( ou l’électron puisqu’on peut faire l’expérience de Young avec des électrons) n’est pas seulement un corpuscule, qu’il est entouré d’une nuage du vide qui détermine les positions des particules et qui, lui, passe par les deux fentes...

    Mais cela suppose que le monde matériel est pétri de contradictions dialectiques irréductibles :

    l’ordre est émergent (issu du désordre)

    le local et le non-local (étendu) sont inextricablement imbriqués

    le temps et l’espace sont issus d’un univers où espace et temps sont agités et, en particulier, l’écoulement du temps provient du vide où le temps est désordonné...

    il n’existe aucune image non contradictoire de l’univers matériel et il n’existe aucune image non dynamique non plus de la matière et de la lumière

    l’existence est inséparable de la destruction

    la base de la matière comme du vide est située dans le vide quantique constitué d’une contradiction fondamentale : des couples particule/antiparticule

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  • "Je ne crois à aucune loi fixe du développement, obligeant tous les habitants d’une région à se modifier brusquement, ou simultanément, ou à un égal degré. (....) La variabilité de chaque espèce est tout à fait indépendante de celle des autres. L’accumulation par la sélection naturelle, à un degré plus ou moins prononcé, des variations qui peuvent surgir, produisant ainsi plus ou moins de modifications chez différentes espèces, dépend d’éventualités nombreuses et complexes, telles que la nature avantageuse des variations, la liberté des croisements, le taux de reproduction, les changements lents dans les conditions physiques de la contrée, et plus particulièrement de la nature des autres habitants avec lesquels l’espèce qui varie se trouve en concurrence. (...) Comme tous les êtres organisés, éteints et récents, qui ont vécu sur la Terre peuvent être tous classés ensemble, et ont tous été reliés les uns aux autres par une série de fines gradations, la meilleure classification, la seule possible d’ailleurs, si nos collections étaient complètes, serait la classification généalogique ; le lien caché que les naturalistes ont cherché sous le nom de système naturel n’est autre chose que la descendance."

    Darwin dans "L’origine des espèces"

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  • Pouvez-vous dire de manière simple quel est le problème des fentes ?

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  • Le problème, c’est qu’on remarque que le photon passe dans une seule des fentes et qu’en même temps le phénomène nous dit qu’il passerait dans les deux fentes en même temps !

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  • Toujours aussi simplement, quelle est votre réponse ?

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  • Le photon n’est pas un simple corpuscule "nu". il est entouré de son nuage de particules et antiparticules virtuelles qui le guident. Le corpuscule passe par une seule des deux fentes mais celles-ci étant très proches l’une de l’autre, le nuage, lui, passe par les deux et il guide à l’extérieur le corpuscule en fonction d’une interférence entre les deux parties du nuage de polarisation, parties qui sont passées par chacune des fentes.

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  • Ce qui est frappant c’est que les mêmes fentes de Young qui ont d’abord servi à démontrer le caractère ondulatoire de la lumière, à cause des interférences, ont servi à développer l’idée quantique de dualité onde/corpuscule puis de discuter du caractère quantique de la lumière, fondé sur les quanta du vide. Cela prouve que l’expérience est d’autant plus fondamentale qu’on l’interprète et que l’expérience ne parle pas d’elle-même !!!

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  • Dans un premier temps, Young n’a démontré qu’une chose : la lumière est une onde puisqu’en passant par deux fentes, elle se recompose en formant des interférences comme le feraient des ondes dans l’eau passant par deux fentes.

    Dans un deuxième temps, Taylor a diminué la puissance de la lumière en la descendant au minimum, en fait en descendant au niveau d’un quanta de lumière. Résultat : il ne passe qu’un seul photon qui passe dans les deux fentes et reconstitue les interférences si on continue à faire passer pendant des heures des photons un par un.

    Cela signifie que les interférences ne sont pas celles d’une même onde matérielle mais des figures constituées statistiquement et que les interférences ont lieu en même temps que les impacts individuels, discrets et donc manifestations de corpuscules.

    La réalité est donc à la fois de type corpusculaire et ondulatoire, ce qui est pourtant contradictoire car ces deux images sont contraires.

    A moins de construire une image à un niveau hiérarchique inférieur de la réalité : celle du vide, de décrire la manifestation corpusculaire et la manifestation ondulatoire, tous les deux à partir des réalités du vide...

    A ce moment-là, on va remarquer que la particule habituelle est formée d’un nuage de particules inhabituelles (celles du vide, éphémères, et dites pour cela virtuelles car leur temps de vie est trop court pour être capté par des expériences à notre échelle) et que l’onde est formée également par ce nuage de particules et antiparticules virtuelles.

    Et on va pouvoir expliquer ce qui se passe : le corpuscule ne passe que par une fente mais le nuage virtuel passe par les deux et il guide le corpuscule à la sortie des fentes.

    J’essaie de décrire brièvement malgré la complexité.

    Comment le corpuscule et l’onde peuvent tous deux être des produits du nuage virtuel ?

    Le corpuscule parce que celui-ci n’est pas un objet fixe mais une propriété de masse qui passe d’une particule virtuelle à une autre via le boson de Higgs.

    L’onde parce qu’elle est issue des mouvements des particules virtuelles autour du corpuscule.

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  • Qu’est-ce qui vous fait penser que le corpuscule et l’onde coexistent et interagissent dans la matière comme dans la lumière ?

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  • Un exemple qui montre que les images « corpuscule » et « onde » ne sont présentes alternativement et séparément mais simultanément.

    « Tout ce qui se déplace possède certains aspects d’une onde et certains aspects d’une particule… Un aspect ondulatoire de la lumière est sa fréquence, le nombre de fois par seconde où elle oscille. Un aspect corpusculaire de la lumière est son énergie ; chaque particule de lumière transporte une certaine quantité d’énergie. En mécanique quantique, l’énergie dans la représentation corpusculaire est toujours proportionnelle à la fréquence dans la représentation ondulatoire. »

    Lee Smolin dans « La renaissance du temps »

    Rajoutons que la relation fondamentale de la physique quantique, énergie E=h fois la fréquence, relie énergie corpusculaire et fréquence, pour tous les quanta de matière comme de lumière.

    L’équation de Schrödinger également est une relation entre corpuscule et onde.

    L’inégalité d’Heisenberg, elle aussi, relie des paramètres ondulatoires et des paramètres corpusculaires.

    Cela montre que l’onde et le corpuscule ne sont pas mondes séparés, qui n’interagiraient pas, comme le pensait Bohr, pas plus que le monde classique et le monde quantique.

    Lee Smolin explique ainsi dans « La renaissance du temps » :

    « Einstein mit en lumière il y a longtemps que la mécanique quantique est incomplète parce qu’elle échoue à donner une description de ce qui se passe dans une expérience individuelle. Que fait au juste l’électron lorsqu’il saute d’un état d’énergie à un autre ? Comment des particules trop éloignées l’une de l’autre parviennent-elles à communiquer instantanément ? Comment semblent-elles apparaître en deux endroits à la fois ? La mécanique quantique ne fournit pas de réponse… La mécanique quantique est une théorie problématique pour trois raisons étroitement liées. La première est son échec à donner une image physique de ce qui se passe dans un processus ou une éxpérience individuels : contrairement aux théories physiques précédentes, le formalisme que nous utilisons en mécanique quantique ne peut pas être lu comme nous montrant ce qui se passe à chaque instant. Deuxièmement, dans la plupart des cas elle échoue à prédire le résultat précis d’une expérience ; plutôt que de nous dire ce qui va se passer, elle ne nouus donne que des probabilités pour les différentes choses susceptibles de se produire. La troisième et plus problématique caractéristique de la mécanique quantique est que les notions de mesure, d’observation ou d’information sont nécessaires pour exprimer la théorie. Elles peuvent être vues comme des notions primitives ; elles ne peuvent pas être expliquées en termes de processus quantiques fondamentaux… Si vous voulez décrire complètement un système en physique classique, vous répondez à toutes les questions, et ceci vous donne toutes les propriétés. Mais en physique quantique, le dispositif dont vous avez besoin pour poser une question peut vous empêcher de répondre aux autres questions. Par exemple, vous pouvez demander ce qu’est la position d’une particule, ou vous pouvez demander ce qu’est le moment, mais vous ne pouvez pas poser ces deux questions à la fois. C’est ce que Niels Bohr a appelé la complémentarité, et c’est aussi ce que les physiciens signifient lorsqu’ils parlent de « variables non-commutatives »… Il est une tradition – commençant avec Niels Bohr – d’affirmer que l’échec de la théorie quantique à donner une image de ce qui se passe au cours d’une expérience individuelle est l’une de ses vertus et non pas un défaut. Bohr a argumenté avec talent que le but de la physique n’est pas de fournir une telle image mais plutôt de créer un langage grâce auquel nous pouvons parler entre nous de notre préparation des expériences sur des systèmes atomiques et de ce que les résultats nous ont donné. Je trouve les écrits de Bohr fascinants mais peu convaincants. Je ressens la même chose à propos de certains théoriciens contemporains, qui disent que la mécanique quantique ne porte pas « sur » le monde physique, mais sur l’ « information » que nous avons sur le monde physique. Ces théoriciens avancent que l’état quantique ne correspond à aucune réalité physique ; il ne fait que coder l’information que nous, observateurs, avons sur un système… Après tout, quelque chose se passe lors d’une expérience individuelle. Quelque chose, et seulement ce quelque chose, est la réalité que nous dénommons électron ou photon. Ne devrions-nous pas être capables de saisir l’essence de l’électron individuel dans un langage conceptuel et un cadre mathématique ? … Alors je me range aux côtés d’Einstein. Je crois qu’il existe une réalité physique objective et que quelque chose qu’on peut décrire se produit quand un électron saute d’un état d’énergie dans un autre. Et je cherche une théorie qui en donne cette description. »

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  • Les fentes de Young continuent d’être une source d’expériences enrichissantes :

    voir ici

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  • « Nous sommes forcés [de] conclure que les phénomènes constatés n’ont rien à voir avec l’effet de plusieurs photons, mais que c’est au contraire le photon unique qui explique aussi bien la capacité d’interférence des deux rayons que l’absorption en un endroit précis de l’un des deux rayons”. Comme l’indiquait Paul Dirac dès 1930 dans ses Principes de la mécanique quantique, et comme Max Born le rappelait dans un ouvrage de 1949 sur le hasard et la causalité, et dans son livre sur les Principes de l’Optique, ainsi que dans une lettre à Einstein, dans un phénomène d’interférence, le photon interfère avec lui-même - et il en va de même en ce qui concerne la particule quantique à laquelle ces propriétés du photon avaient été étendues par de Broglie, par Einstein lui-même, par Schrödinger, Max Born et d’autres… »

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  • Je ne vois pas très bien ce qui est vraiment renversant dans l’expérience des fentes de Young, je dis bien renversant parce que toutes les experiences nouvelles sont toujours intéressantes et donc un tout petit peu étonnantes, non ?

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  • Vous avez parfaitement raison : une expérience physique n’a d’interêt que si elle nous apprend quelque chose, soit qu’elle confirme, soit qu’elle approfondit, soit qu’elle infirme ce qu’on savait. Dans tous les cas, si l’expérience donne un argument nouveau c’est qu’elle nous étonne un peu…

    Eh bien là, on peut dire que l’expérience de Young a été, plusieurs fois dans l’histoire de la science, très intéressante et même plusieurs fois renversante…

    Elle a été l’expérience qui a démontré le caractère à la fois ondulatoire et corpusculaire, ce qui est contradictoire, de la matière et de la lumière. Les interférences semblaient donner raison à l’ondulatoire mais sur l’écran d’arrivée, on ne détecte que des corpuscules, et ils ne forment des ondes que comme image finale au bout d’un grand nombre de corpuscules émis.

    Vous me direz : l’étonnement a une fin et maintenant personne ne considère plus comme renversant la dualité onde/corpuscule devenue un dogme reconnu en physique quantique.

    Et pourtant, vous avez tort : c’est renversant !

    Les corpuscules arrivent à l’écran de manière aléatoire et pourtant ils savent qu’il y a des zones où il ne faut pas aller, d’autres zones où il faut moins aller et des zones où il faut beaucoup aller. Chaque corpuscule cependant va presque n’importe où et l’ensemble des corpuscules (de matière comme de lumière) émis successivement et de manière indépendante sans interaction possible finit par respecter ces probabilités de présence, eh bien si, c’est renversant… Il est nécessaire pour le comprendre d’admettre d’abord que chaque corpsucule interfère avec lui-même ce qui nécessite que ce qui interfère soit passé par les deux trous or il est certain que le corpuscule lui-même n’est passé que par un trou !!! Donc il y a une nature de dualité onde/corpuscule dans laquelle la dualité est toujours conservée, mais l’onde passe par deux trous et le corpuscule par un. Pas étonnant, disiez-vous ?!!!

    Richard Feynman, pourtant capable de comprendre bien des choses, donnait sa langue au chat (pas celui de Schrödinger) :

    “…a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery.”

    Traduction : « Un phénomène qu’il est impossible, absolument impossible, d’expliquer d’une manière classique, et qui a en lui le cœur de la mécanique quantique. En réalité, il contient le seul mystère. »

    « Impossible » répète-t-il : impossible à expliquer en termes classiques disait Feynman qui y voyait le grand mystère de la physique quantique…

    Et pourtant…

    Pourtant, dès que l’on interprète la dualité onde/corpuscule en termes de nuage de particules et d’antiparticules virtuelles et la particule dite réelle (le corpuscule de matière ou de lumière) en termes d’une particule virtuelle ayant reçu un boson de Higgs, le mystère disparaît de lui-même….

    En effet, si le corpuscule n’est pas un objet unique mais une myriade de corpuscules virtuels (un nuage) et que la propriété de « réalité » saute d’un corpuscule virtuel à un autre, les choses semblent s’éclairer…

    Le phénomène des fentes de Young ne se comprend pas de manière classique mais quantique. Par contre, il s’agit du vide quantique et on peut avoir une description du type « quest-ce qui se passe quand » avec des particules virtuelles.

    Le meilleur moyen de comprendre qu’il s’agit d’une propriété du vide quantique est une version un peu plus complexe de l’expérience des fentes de Young, lorsqu’on rajoute au dispositif un solénoïde entre les deux fentes et l’écran. C’est ce que l’on appelle l’expérience de Aharonov-Böhm. Le résultat est à nouveau des franges d’interférence mais elles sont décalées.

    C’est encore un résultat renversant puisque le solénoïde est disposé sans gêner le passage des corpuscules par les fentes, que les corpuscules ne traversent pas le solénoïde et qu’un solénoïde ne produit pas de champ magnétique dans la zone qui lui est extérieure.

    C’est une propriété du vide quantique qui permet ce phénomène : le vide n’est pas soumis à un champ magnétique par le solénoïde mais il est sensible à ce dernier par le biais d’un potentiel magnétique et cela suffit à décaler les franges d’interférence.

    Bien sûr, l’étonnement s’arrête un jour, quand on s’est habitué !

    Nous ne sommes pas très forts pour savoir clairement de quoi il faudrait s’étonner.

    L’eau qui remonte dans les filtres à café ne nous étonne pas plus que l’eau qui ne tombe pas des nuages !

    Nous ne sommes pas, comme Einstein, étonnés de ce que pourraient être les lois de la physique si on se déplace dans un photon lumineux, à la vitesse de la lumière. Car il faut d’abord être capable de voir que poser la question, c’est déjà renversant !

    Einstein, lui, s’interrogeait là-dessus quand il avait seize ans mais il a poursuivi ses questionnements de l’univers et à continué à en discuter avec les moyens du scientifique adulte !!! C’est plus rare encore.

    Si, comme on le croyait, la lumière était une vibration électromagnétique dans l’éther semblable aux ondes sonores vibrant dans un milieu matériel, l’air, la lumière se propagerait avec une vitesse relative par rapport au vide, une vitesse de 300.000kilomètres par seconde. Mais une telle image, celle des ondes sonores par exemple, entraînerait des bizarreries impossibles. Ainsi, on ne pourrait pas regarder l’image de ce photon lumineux en déplacement dans un miroir. Pour aller au miroir, la lumière devrait aller à la même vitesse que le photon et elle ne pourrait pas être réfléchie. On ne peut pas raisonner sur quelque chose se déplaçant à la vitesse de la lumière comme on raisonne sur un objet, sur une chose. Cela rejoint d’ailleurs un peu les leçons que l’on peut tirer de l’expérience de Young : on ne peut pas raisonner sur les corpuscules de matière et de lumière comme s’ils s’agissait d’une chose, unique, précise, toujours identique à elle-même.

    Or parler de corpuscule sans que ce soit un objet, c’est renversant !!!

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  • A la question posée par les fentes de Young, la réponse de De Broglie-Bohm : lire ici

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