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

Les dates-clés de la Mécanique Quantique

La mécanique quantique (aussi appelée MQ) est une branche de la physique plutôt récente puisqu'elle ne s'est développée que récemment, tout au long du siècle dernier.

Mais où en est la science en 1900 ? Des physiciens tels que Lord Kelvin pensent que la physique a déjà fait le plus grand pas dans la compréhension du monde, et que le reste sera compris dans les quelques années suivantes.


Néanmoins, plusieurs questions restent en suspens, car plusieurs phénomènes restent inexpliqués. Que ce soit l'effet photo électrique, le rayonnement des corps noirs, ou encore le spectre de l'hydrogène, tous ces phénomènes expérimentaux faisant intervenir l'interaction rayonnement électromagnétique et matière peinent à s'insérer dans la physique de l'époque.

C'est un groupe de jeunes physiciens qui, à l'aube du siècle le plus destructeur de l'histoire, va rebattre les cartes en fondant une nouvelle théorie : la Mécanique Quantique.

Ici sont répertoriées les principales dates de la construction/découverte de la mécanique quantique.



1900 : Max PLANCK suppose l'existence des quantas

Dans le but d'expliquer le passage par un maximum du rayonnement des corps noirs, le physicien suppose que les échanges d'énergie entre la matière et un rayonnement s'effectue par petit paquet d'énergie qu'il appelle quantum. Il recevra en 1918 le prix Nobel de physique pour son hypothèse. Si le rayonnement est de fréquence v, cela l'énergie transférée par un quantum se traduit par la formule (où h représente la constante de Planck) :
                        


1905 : Albert EINSTEIN  explique l'effet photoélectrique

Si un rayon lumineux frappe une surface métallique, des électrons peuvent en être extraits. C'est l'effet photoélectrique observé quand on irradie sous vide un métal alcalin avec de la lumière UV. Néanmoins, le phénomène constitue une énigme puisque la vitesse des électrons libérés ne pas de l'intensité du courant, mais seulement de la fréquence du rayonnement utilisé. Einstein interprète ce phénomène en supposant que la lumière est elle-même constituée de quanta individuels et indivisibles : les photons.

1911 : Ernest RUTHERFORD découvre le noyau atomique

Déjà prix Nobel de chimie en 1908, Ernest Rutherford s'impose de nouveau comme un scientifique de génie lorsqu'il découvre le noyau atomique, et fonde alors le modèle planétaire de l'atome qui portera son nom.

1913 : Niels BOHR décrit les orbitales atomiques

Dans l'objectif d'expliquer la formule de Ryderg qui modélise le spectre de raies de l'atome d'hydrogène, Niels Bohr complète le modèle planétaire de l'hydrogène décrit 2 an auparavant par Rutherford. Il suppose que les rayons des "orbitales" sont quantifiés, tout comme l'énergie nécessaire pour passer de l'une à l'autre.

1923 : Louis DE BROGLIE invente un modèle Onde-Particule
Le physicien français généralise la découverte d'Einstein sur la lumière à toute particule. Ainsi, "Toute particule en mouvement possède un caractère ondulatoire". Il définit alors la longueur d'onde de De Broglie qui s'exprime par la formule :

L'hypothèse est confirmée en 1927 par Clinton Davisson et Lester Fermer en effectuant la diffraction d'un faisceau d'électrons par un cristal.


1926 : Ernest Schrödinger énonce sa fameuse équation

Ernest Schrödinger postule une équation d'onde, qui portera son nom, permettant de déterminer la probabilité de présence d'une particule quantique dans l'espace. Une particule ne peut alors être repérée dans l'espace : on peut seulement savoir qu'elle a une probabilité de X de se retrouver à cet endroit Y de l'espace. Il complète alors, dans la foulée, la description de l'atome et des orbitales atomiques.

1927 : Werner HEISENBERG énonce le Principe d'incertitude
Le physicien allemand invente la relation d'indétermination selon laquelle il n'est pas possible de connaître à la fois la position d'une particule de sa quantité de mouvement (sous entendu sa vitesse). La notion de trajectoire est alors définitivement abandonnée. Le Principe d'incertitude s'exprime pas l'inégalité suivant, appelée inégalité d'Heisenberg :