La dualité onde-particule

La dualité onde-particule exprime la nature double de la matière et du rayonnement : selon l’expérience envisagée, ils se manifestent tantôt comme des corpuscules discrets, tantôt comme des ondes capables d’interférer et de se diffracter.

Ce principe est l’un des piliers de la mécanique quantique : la lumière comme les particules matérielles révèlent simultanément des propriétés d’ondes et de particules.

L’interférence et la diffraction mettent en lumière leur comportement ondulatoire, tandis que les chocs et l’émission par quanta d’énergie illustrent leur aspect corpusculaire.

Dans le cadre de la physique contemporaine, ces deux visages trouvent leur cohérence dans la notion de fonction d’onde, qui unifie les descriptions apparemment contradictoires.

Observation. L’expérience des deux fentes constitue l’illustration la plus célèbre de la dualité onde-particule, valable aussi bien pour la lumière que pour les électrons. Elle démontre que, selon les conditions d’observation, un même objet quantique peut se comporter comme une onde ou comme une particule.

L’expérience des deux fentes

Au XVIII^e siècle, la théorie dominante, défendue avec vigueur par Isaac Newton, soutenait que la lumière était formée de minuscules « corpuscules » émis par les sources lumineuses.

Mais en 1801, l’expérience des deux fentes réalisée par Thomas Young convainquit la communauté scientifique du caractère ondulatoire de la lumière.

Young fit passer un faisceau lumineux à travers deux fentes parallèles pratiquées dans un écran opaque.

Sur l’écran placé derrière, au lieu de deux simples taches lumineuses, apparut un système régulier de franges claires et sombres : la signature incontestable d’un phénomène d’interférence.

La lumière se révélait donc être une onde, capable de se superposer à elle-même et de produire des franges d’interférence, tantôt renforcées (constructives), tantôt atténuées (destructives).

• Dans les zones d’interférence constructive, les crêtes se superposent et la luminosité s’intensifie.
• Dans les zones d’interférence destructive, les ondes s’annulent et l’obscurité apparaît.

Vue du dessus, on observe une succession régulière de franges verticales, reflet direct de la nature ondulatoire de la lumière.

De tels résultats ont conduit les savants du XIX^e siècle à considérer la lumière comme une onde pure, reléguant au second plan l’hypothèse corpusculaire.

Le retour du modèle corpusculaire

Au début du XX^e siècle, l’hypothèse des corpuscules ressurgit avec la théorie quantique de Max Planck, qui introduisit l’idée d’une énergie émise et absorbée par paquets élémentaires, les quanta.

En 1905, Albert Einstein appliqua ce concept pour expliquer l’phénomène photoélectrique, en montrant que la lumière se comporte comme un flux de particules, les photons.

La lumière apparut dès lors comme un objet paradoxal, à la fois onde et corpuscule.

En 1924, Louis de Broglie franchit un pas décisif en proposant que les électrons, considérés jusque-là comme des particules matérielles, possèdent eux aussi une nature ondulatoire.

Ainsi, la dualité onde-particule ne concernait plus seulement la lumière, mais s’étendait à l’ensemble de la matière.

La dualité onde-particule des électrons

L’expérience de Young fut reprise avec des électrons projetés sur une barrière percée de deux fentes.

Si les électrons étaient de simples corpuscules, on n’aurait dû observer que deux impacts bien séparés sur l’écran. Or, le résultat montra un motif d’interférences, identique à celui produit par la lumière : chaque électron semblait se comporter comme une onde capable de traverser simultanément les deux ouvertures.

Pour écarter l’idée d’une interaction entre électrons, on répéta l’expérience en les envoyant un à un.

De manière saisissante, le même schéma d’interférences apparut, confirmant que la nature ondulatoire est inhérente à chaque électron pris isolément.

Mais dès qu’un détecteur était placé pour déterminer par quelle fente passait l’électron, la figure d’interférence s’effaçait aussitôt, ne laissant plus que deux franges nettes, comme si l’électron redevenait une particule classique.

Cette expérience illustre clairement que :

• en l’absence d’observation, les électrons se comportent comme des ondes et produisent une figure d’interférence ;
• lorsqu’ils sont observés, ils adoptent le comportement de particules localisées et ne laissent plus que deux traces distinctes.

La mécanique quantique interprète ce paradoxe au moyen de la fonction d’onde, qui exprime les probabilités de présence d’une particule. L’acte de mesure provoque l’« effondrement » de cette fonction, supprimant la superposition et imposant une issue unique.

Remarque. Pour savoir par quelle fente une particule est passée, les physiciens recourent à des dispositifs tels que des photodiodes ou des capteurs électroniques capables de détecter le passage d’un photon ou d’un électron, ou encore à des techniques de diffusion qui interagissent avec la particule tout au long de sa trajectoire. L’essentiel est que toute tentative d’identifier le trajet de la particule introduit inévitablement une interaction. Cette interaction efface la figure d’interférence et fait basculer le comportement de la particule : d’ondulatoire, il devient corpusculaire.

Ainsi, la lumière et la matière ne sauraient être réduites à une seule image : ni purement onde, ni uniquement particule. Elles incarnent les deux aspects à la fois, selon la manière dont nous les interrogeons expérimentalement.

Et la recherche se poursuit…