Dualité Onde-Corpuscule
Tous les objets quantiques (photons, électrons, etc.) peuvent se comporter à la fois comme une onde et comme une particule. C'est l'un des concepts les plus contre-intuitifs de la physique quantique.
Contexte historique : Découverte par le physicien Louis de Broglie, cette dualité est confirmée par l'expérience des fentes de Young. Un électron, qui est une particule, passe par les deux fentes à la fois comme une onde et crée un motif d'interférence. Quand il est observé, il se "décide" à être une particule et passe par une seule fente.
Exemple 1 - Le photon
La lumière est composée de photons (particules). Pourtant, la lumière se diffracte et interfère comme une onde. Le photon est à la fois l'un et l'autre, selon la manière dont on le mesure.
Exemple 2 - L'électron
Un électron se comporte comme une particule quand il est localisé dans un atome. Mais il se comporte comme une onde quand il circule dans un circuit, produisant un motif d'interférence s'il rencontre des obstacles.
Démonstration : L'expérience des deux fentes
Taille de l'objet : 0.1 (échelle quantique)
Motif : Franges d'interférence (comportement d'onde)
Le motif est dû au fait que l'objet passe par les deux fentes à la fois.
Le motif est dû au fait que l'objet passe par les deux fentes à la fois.
Superposition Quantique
Tant qu'il n'est pas mesuré, un objet quantique peut exister simultanément dans tous ses états possibles. La mesure force l'objet à "choisir" un seul de ces états.
L'effondrement de la fonction d'onde : L'état quantique d'un système est décrit par une fonction d'onde, qui contient toutes les informations sur ses états possibles. Quand une mesure est effectuée, la fonction d'onde s'effondre et le système se fige dans un état unique.
Exemple 1 - L'électron en rotation
Avant la mesure, le spin d'un électron peut être "haut" et "bas" en même temps. Une fois mesuré, il est soit "haut" soit "bas", mais jamais les deux.
Exemple 2 - Le paradoxe du chat de Schrödinger
Dans cette expérience de pensée, un chat est enfermé dans une boîte avec un système quantique. Tant que la boîte est fermée, le chat est considéré comme étant à la fois "vivant" et "mort" en superposition. C'est l'ouverture de la boîte (la mesure) qui force le système à se décider.
Démonstration : Absorption et émission de photons
Cliquez sur un niveau d'énergie pour déplacer l'électron. Si vous montez, il absorbe un photon. Si vous descendez, il en émet un. L'électron est symbolisé par un point blanc.
E₁ (État de base)
E₂
E₃
E₄
E₅
L'énergie est quantifiée. L'électron ne peut se trouver que sur des niveaux spécifiques.
Intrication Quantique
Deux ou plusieurs objets quantiques peuvent être liés de telle sorte que l'état de l'un dépend instantanément de l'état de l'autre, peu importe la distance qui les sépare. Einstein a appelé cela "action fantôme à distance".
Lien avec la superposition : Si deux électrons sont intriqués, ils forment un seul système quantique. Tant qu'ils ne sont pas mesurés, ils sont en superposition. Si le spin de l'un est mesuré comme "haut", le spin de l'autre sera instantanément "bas". Ce phénomène a été prouvé expérimentalement par Alain Aspect.
Exemple 1 - Paires de photons
On peut générer des paires de photons intriqués. Si la polarisation d'un photon est mesurée comme verticale, l'autre photon prendra une polarisation horizontale au même instant, même s'ils sont séparés par des kilomètres.
Exemple 2 - Le futur des télécommunications
L'intrication quantique est au cœur de la cryptographie quantique, qui permet une communication parfaitement sécurisée. Si un espion essaie de lire l'état d'un photon, cela perturbera le système intriqué, révélant immédiatement l'interception.
Principe d'Incertitude d'Heisenberg
Il est impossible de connaître simultanément avec une précision absolue la position et la quantité de mouvement (masse x vitesse) d'une particule. Plus on connaît l'un, moins on connaît l'autre.
La nature de l'observation : Ce n'est pas une question de limitation de nos instruments. C'est une propriété intrinsèque de la nature quantique. Le simple fait de mesurer la position d'une particule perturbe sa quantité de mouvement et vice-versa.
Exemple 1 - Microscope théorique
Pour voir une particule (mesurer sa position), on doit l'éclairer avec un photon. Mais le photon va la "pousser" et changer sa quantité de mouvement de manière imprévisible, rendant la mesure de sa vitesse incertaine.
Exemple 2 - Énergie et temps
Une autre forme du principe d'incertitude concerne l'énergie et le temps. Il est impossible de connaître simultanément l'énergie d'un système et le temps exact pendant lequel il a cette énergie. C'est pourquoi des particules virtuelles peuvent apparaître et disparaître dans le vide, pour de très courtes durées.