Introduction au monde quantique
La lumière est-elle une onde ou une particule ? Longtemps, cette question a agité la communauté scientifique. Des scientifiques comme Newton la considérait comme une particule sans masse. D'autres, tels que Maxwell, la considérait plutôt comme une onde électromagnétique.
I - La lumière, une onde et une particule
C'est finalement la mécanique quantique qui apporte la réponse. La lumière est et une onde, et une particule : elle est les deux à la fois. Comment cela s'explique-t-il ? Bohr énonce pour cela le principe de complémentarité :
"Les aspects ondulatoire et corpusculaire sont deux représentations complémentaires d'une seule et même chose. Tout dépend où, quand et comment on l'observe."
Ainsi, ce sont les conditions d'observation qui vont déterminer la nature de l'objet quantique qu'est la lumière.
Plusieurs expériences ont été mises en place dans le but de prouver la dualité Onde-Particule.
La plus connue est sans doute celle réalisée par Vincent Jacques en 2005 à l'ENS Cachan. L'image suivante présente le dispositif :
Le dispositif expérimental est un interféromètre à division du front d'onde constitué d'un biprisme de Fresnel et d'une source à photon unique (ie. capable de délivrer les photons les uns après les autres).
Le biprisme est éclairé en incidence normale. Chaque moitié du faisceau est déviée par un des 2 prismes. Les 2 faisceaux déviés se superposent à la sortie du dispositif dans un volume de l'espace. D'un point de vue classique, ce dispositif offre deux chemins à la lumière.
Pour mettre en évidence l'aspect particulaire, on utilise deux détecteurs I et II. Un dispositif électronique compte les événements appelés coïncidences, où les deux détecteurs délivrent simultanément un signal. L'expérience montre l'absence de coïncidences et atteste d'un comportement particulaire de la lumière. L'énergie indivisible associé au photon est détectée par un seul des deux détecteurs, mais jamais les deux à la fois.
Pour mettre en évidence l'aspect ondulatoire, on place un détecteur dans la zone de recouvrement. On visualise alors la construction progressive d'interférence au fur à mesure que les photons soient détecter.
Ainsi, pour conclure, il faut renoncer à utiliser une description classique (onde ou particule) pour décrire de façon satisfaisante et unique la lumière. On ne peut pas dire qu'elle est soit une onde, soit une particule.
La particule correspondante s'appelle le photon. Il s'agit d'une particule quantique de masse nulle se déplaçant à la vitesse c dans le vide et caractérisant une onde électromagnétique de fréquence v.
Relation de Planck-Einstein :
Relation de dispersion dans le vide:
II - Fonction d'onde et équation de Schrödinger
