Expérimentation de la dualité onde/corpuscule en mécanique quantique.

[Mir@ge]

Bonjour!

Je désire revenir sur l'expérience permettant de mettre en avant le comportement particulier des particules en mécanique quantique.

Rappel:

Prenez une source d'électrons et une plaque percée de deux trous.
Mesurez le nombre d'électrons en diverses positions derrière la plaque.
Si vous ne vous intéressez pas au trou par lequel les électrons passent alors la probabilité de trouver un électron derrière la plaque selon la position se comporte comme le modèle ondulatoire en formant des interférences constructives ou destructives.
Si vous essayez de déterminer le chemin suivi en "comptant" le passage des photons à travers les trous, alors cette probabilité devient celle du modèle corpusculaire.
Explication avancée: le fait de "compter" les électrons agit sur eux et modifie leur comportement.

Ma question est la suivante:

Dans quel environnement cette expérience a-t-elle été réalisée? Est-ce dans le vide? Ou bien fonctionnerait-elle aussi dans l'air, l'eau, le verre, etc... ? (pour la propagation des électrons)

Mon idée sous-jacente:

Les méthodes de "comptage" des électrons qui m'ont été expliquées comportent une source externe (de photons) qui sont la cause de l'interaction avec les particules, et donc de la modification de comportement des électrons.
Maintenant, s'il était possible de détecter le passage des électrons sans source externe, c'est à dire simplement en recueillant des informations provenant directement des électrons et ne nécessitant pas de source externe, qu'adviendrait-il? Pourrions nous "compter" les électrons en conservant les interférences?

J'imagine que ces idées ont déjà dû être abordées avant moi, mais je n'ai pas de réponse...
- Pourrions nous mesurer une distrosion du champs électrique par exemple? (généré par l'électron lui même?)
- Pourrions nous faire cette expérience dans le verre et utiliser l'effet Cerenkov pour voir par où sont passés les électrons?

(En fait, surtout dans le deuxième cas, je n'arrive pas à m'imaginer en quoi l'observation perturbe l'expérience...)


Merci d'avance pour votre attention!
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[Deedee81]

Salut,

Explication avancée: le fait de "compter" les électrons agit sur eux et modifie leur comportement.

Explication souvent donnée (y compris dans les cours) mais je dois avouer que je ne l'aime pas

Dans quel environnement cette expérience a-t-elle été réalisée? Est-ce dans le vide? Ou bien fonctionnerait-elle aussi dans l'air, l'eau, le verre, etc... ? (pour la propagation des électrons)

Avec les électrons, dans le verre ou l'eau c'est pas évident, un rien les arrête.

Par contre tu as des expériences de ce type dans du métal, comme avec des jonctions Josephson mises en parallèles (comme dans les squids). Il s'agit bel et bien d'inférences d'électrons (de paires de Cooper mais ce sont des paires d'électrons).

Par contre, on a déjà fait des expériences avec bien d'autres particules (ne fut-ce que parceque les effets d'interférences sont très communs et très utiles dans de nombreux dispositifs de mesure, par exemple). Comme des neutrons. Mais j'ignore dans quels matériaux on a pu faire l'essai.

D'une manière générale ça doit être difficile. Bien que je n'aime pas l'explication de l'absence d'interférence par perturbation, c'est vrai, celle-ci peut jouer (et joue) aussi un rôle. A cause du mécanisme de décohérence. En fait, à y regarder de près, c'est un peu comme une mesure indirecte (via l'environnement), mais les perturbations sont aussi très fortes dans ce cas. Et je doute qu'on puisse faire des expériences d'interférence de neutrons dans l'eau car l'eau est un bon modérateur, ce qui veut dire que les neutrons doivent percuter les molécules d'eau facilement ce qui entraîne automatiquement une forte décohérence.

Si ça marche bien avec les électrons dans un métal, c'est à cause de la supraconductivité. Les électrons forment des paires de Cooper, des bosons qui ne "ressentent" quasiment plus les hétérogénéités du métal.

Mon idée sous-jacente:

Les méthodes de "comptage" des électrons qui m'ont été expliquées comportent une source externe (de photons) qui sont la cause de l'interaction avec les particules, et donc de la modification de comportement des électrons.
Maintenant, s'il était possible de détecter le passage des électrons sans source externe, c'est à dire simplement en recueillant des informations provenant directement des électrons et ne nécessitant pas de source externe, qu'adviendrait-il? Pourrions nous "compter" les électrons en conservant les interférences?

Non. Et c'est justement pour ça que je n'aime pas les explications basées sur les perturbations. Le simple fait de pouvoir compter implique automatiquement la possibilité de pouvoir additionner les électrons arrivant en un point et venant de telle ou telle fente. Or ça, c'est incompatible avec les interférences (où on a des "soustractions").

C'est bien expliqué dans le cours de Feynman sur la mécanique quantique.

Tu as mis le doigt dessus : on ne peut pas savoir par où passent les électrons et en même temps avoir des interférences (attention toutefois, la mécanique quantique est vicieuse, voir l'expérience d'Afshar et les nombreux débats que cela a entraîné).

J'imagine que ces idées ont déjà dû être abordées avant moi, mais je n'ai pas de réponse...
- Pourrions nous mesurer une distrosion du champs électrique par exemple? (généré par l'électron lui même?)
- Pourrions nous faire cette expérience dans le verre et utiliser l'effet Cerenkov pour voir par où sont passés les électrons?

(En fait, surtout dans le deuxième cas, je n'arrive pas à m'imaginer en quoi l'observation perturbe l'expérience...)

L'électron est très sensibles aux champs électriques et l'eau est une molécule dipolaire. Les raisons pour laquelle la lumière se propage moins vite dans l'eau sont des raisons d'interaction EM avec l'eau. Tu te doutes bien que dans ces conditions un électron y sera très sensible aussi. Le rayonnement Cerenkov est une forte émission de rayonnement ce qui freine violemment l'électron. Donc, perturbation il y a.

Pour bien comprendre ce qui se passe, amha, le mieux est de dissocier les aspects purements quantiques des effets plus complexes tel que les perturbations.

D'autant qu'il existe des processus dit de "mesure faible" qui permettent d'avoir une mesure aussi précise que l'on veut (par répétition de la mesure) tout en ayant une perturbation arbitrairement faible (j'ai lu cette idée assez extraordinaire dans un article intitulé "Time Symétric Quantum Mechanics", disponible sur ArXiv).

Cela ne se fait malheureusement pas en 5 minutes. Ou heureusement puisque c'est passionant.

Il faut au minimum maîtriser la MQ (sinon, comment la comprendre ?). Du moins les bases (formalisme, postulats,... jusqu'à la règle de Born).

Puis il faut certainement explorer les différentes interprétations. L'encyclopédie de Stanford de Philosophie, en ligne, est assez complète.

J'aime bien l'interprétation nue des états relatifs car elle explique, sans réduction et sans perturbations pourquoi il y a disparition des interférences lors de "l'info par où passe l'électron". Mais ce n'est pas la seule interprétation de la MQ et j'estime qu'une vue d'ensemble est utile.

Ensuite, il faut forcément compléter par quelques outils en rapport avec l'émergence du monde classique (inévitable quand on parle de mesure par des "humains"), comme la décohérence (et là il faut bien maîtriser le formalisme, comme les matrices densité, etc.)

[LPFR]

Bonjour.
Entre les expériences de pensée, comme l'électron passant par un ou deux trous, et la réalité il y a un monde.

On ne peut pas faire l'expérience de l'électron avec deux trous. La raison est que la longueur d'onde des électrons est très courte. Même en utilisant des électrons de très peu d'énergie (électrons lents) à 100 eV, leur longueur d'onde est de l'ordre de la séparation entre atomes dans un solide. Vous ne pouvez pas faire deux trous de moins d'un atome de diamètre séparés par une distance d'un atome.
Ce que l'on fait dans la réalité est envoyer un faisceau d'électrons lents vers la surface propre d'un monocristal métallique. Une partie des électrons réfléchis le fait élastiquement et on peut observer l'image de diffraction des atomes de surface du cristal.
Mais tout cela doit se faire dans un très bon vide appellé UHV (ultra high vacuum). Avec des pressions inférieures à 10^-12 bar. Même à ces pressions, les surfaces de cristaux se salissent avec le gaz résiduel en quelques 20 minutes et l'image de diffraction disparaît.
Et évidemment, il n'est pas question d'envisager de mettre un détecteur de passage des électrons près de chaque atome de surface du cristal.

Mais on pourrait envisager de mettre un détecteur de passage dans l'expérience de pensée. Comment ferait-on ce détecteur. Détecterait-il le champ électrique ou magnétique?
Comment pourrait-on faire (en pensée) un détecteur qui détecte sans agir sur l'électron?
Le détecteur devrait créer un courant induit (d'origine électrostatique ou magnétique pour agit sur un système de détection, ce qui créerait des forces différentes que s'il n'y avait pas de détecteur.
Je crois que, même en pensée, il n'est pas possible de créer un détecteur qui n'influence pas l'électron.
Au revoir.

[Deedee81]

Salut,

Je crois que, même en pensée, il n'est pas possible de créer un détecteur qui n'influence pas l'électron.

En effet, même dans le cas des "mesures faibles" il y a toujours un pouillat de perturbation. De plus je ne suis pas sûr que cela ait déjà été expérimenté (l'article TSQM que j'ai lu était très théorique).

C'est sans doute pour cela qu'il est difficile de séparer les aspects perturbations du reste.

Par contre, "en pensée", on peut toujours s'en sortir car, dans ce cas on peut tricher On peut dire "soit un détecteur sans perturbation" et modéliser l'évolution de l''état par une simple corrélation entre le système et l'appareil (ce qui respecte parfaitement les postulats MQ) puis, après, si on le souhaite (ce n'est pas obligatoire) modéliser le résultat par une projection (schéma de mesure idéalisé de Von Neuman) = réduction.

Bon, mais on est alors très loin de l'expérimentation et il est vrai que le questionnement de Mirage tournait autour de l'expérience. Donc, ce que j'explique n'a que valeur théorique/explicative. Ca ne répond qua partiellement à la question.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Chip]

Entre les expériences de pensée, comme l'électron passant par un ou deux trous, et la réalité il y a un monde. On ne peut pas faire l'expérience de l'électron avec deux trous.

Cette expérience a été réalisée en... 1960, par Jönsson. Ci-dessous la figure d'interférence donnée par des électrons passant par deux fentes de Young [ref : Zeitschrift für Physik 161, 454 (1961), Springer]

[LPFR]

Bonjour Chip.
J'aurais beaucoup plus apprécié une photo des doubles fentes que de l'image de diffraction.
J'ai essayé de voir su Internet si quelqu'un décrivait les doubles fentes, mais je ne l'ai pas trouvé.
Jusqu'a ce que je trouve les dimensions des doubles fentes et le matériau dans lequel elles ont été faites, je pense que Jönsson a fait une expérience de diffraction d'électrons équivalente à une avec des doubles fentes (ce qui était déjà méritoire a l'époque), mais qu'il n'a pas utilisé une vrai double fente.
À l'époque on ne rêvait même pas du micro usinage.
Si vous avez des informations supplémentaires j'en suis preneur.
Cordialement,
LPFR

[predigny]

Avec un fil pour "spliter" un faisceau d'électrons ou de lumière, ça marche.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fentes_de_Young
Intéressante aussi l'animation où l'on voit que la notion de localisation de l'électron passant dans une fente, n'a pas beaucoup de sens.

[Chip]

Jusqu'a ce que je trouve les dimensions des doubles fentes et le matériau dans lequel elles ont été faites, je pense que Jönsson a fait une expérience de diffraction d'électrons équivalente à une avec des doubles fentes (ce qui était déjà méritoire a l'époque), mais qu'il n'a pas utilisé une vrai double fente. À l'époque on ne rêvait même pas du micro usinage.

Il s'agit de véritables doubles fentes en cuivre, de 50µm de long, d'épaisseur 500nm et séparées de 2µm (je cite les données de l'article). L'auteur a également réalisé l'expérience avec une fente simple et des fentes multiples (trois, quatre, cinq). Les électrons sont accélérés sous 50kV et leur largeur de cohérence au niveau des fentes est de 60µm...

[LPFR]

Il s'agit de véritables doubles fentes en cuivre, de 50µm de long, d'épaisseur 500nm et séparées de 2µm (je cite les données de l'article). L'auteur a également réalisé l'expérience avec une fente simple et des fentes multiples (trois, quatre, cinq). Les électrons sont accélérés sous 50kV et leur largeur de cohérence au niveau des fentes est de 60µm...

Re.
Merci Chip. C'est époustouflant d'avoir réussi à faire ça à cette époque. Je me demande bien comment il l'a fait.
À 50 keV la longueur d'onde est d'environ 5,5 10^-12m et l'angle entre franges est de 2,8 10^-6 radians. S'il a mis sa plaque à 1 m, les franges étaient séparées de 2,8 microns. C'était vraiment un exploit.
A+

[Chip]

Il utilise des lentilles électrostatique pour agrandir la figure de diffraction/interférences.

[predigny]

... Les électrons sont accélérés sous 50kV et leur largeur de cohérence au niveau des fentes est de 60µm...

C'est ça que j'ai du mal à comprendre. Comment peuvent ils être cohérents sur une aussi grande largeur ? car même s'ils ont la même energie, leurs longueurs d'ondes associées ne sont pas forcémement en phase. Et pour un électron individuel la largeur du "paquet d'onde" ne fait certainement pas 60µm !

[Chip]

Et pour un électron individuel la largeur du "paquet d'onde" ne fait certainement pas 60µm !

Qu'est-ce qui te fait dire ça?

[predigny]

Qu'est-ce qui te fait dire ça?

Sans doute une méconnaissance de la question ; en fait je me pose le même problème pour le photon : comment deux télescopes distants de plusieurs millions de fois la longueur d'onde d'un photon, peuvent ils tout de même créer des franges d'interférence d'une étoile ? Je ne suis pas clair sur cette notion de particule (le photon ou l'électron) et l'onde qui l'accompagne mais qui est des millions de fois plus étendue spacialement que la particule. ! Je dois être très c**

[Mir@ge]

L'électron est très sensibles aux champs électriques et l'eau est une molécule dipolaire. Les raisons pour laquelle la lumière se propage moins vite dans l'eau sont des raisons d'interaction EM avec l'eau. Tu te doutes bien que dans ces conditions un électron y sera très sensible aussi. Le rayonnement Cerenkov est une forte émission de rayonnement ce qui freine violemment l'électron. Donc, perturbation il y a.

Nous sommes d'accord (?) que le rayonnement est dû aux molécules dipolaires, pas à l'électron lui même. Le fait d'"aligner" les moments dipolaires (de l'eau par exemple) fait-il perdre de l'énergie à l'électron puisqu'il n'y a pas d'interaction directe (il n'y a pas de choc avec les molécules et l'électron n'émet pas de rayonnement lui même)?
Ou bien le simple fait de "passer par là" au sein du milieu dipolaire crée une perte d'énergie.

De plus pouvez-vous me dire comment la lumière perd perd de la vitesse en traversant un milieu transparent? Est-ce accompagné d'une forme de perte d'énergie? Si oui dans ce cas la lumière ayant traversé une vitre doit subir un décalage spectral vers le rouge... (ce qui me fait penser au décalage spectral des galaxies dû à l'effet Doppler... une partie de ce décalage ne serait-il pas à mettre en compte sur le dos de l'imperfection du vide interstellaire?)

[LPFR]

Nous sommes d'accord (?) que le rayonnement est dû aux molécules dipolaires, pas à l'électron lui même. Le fait d'"aligner" les moments dipolaires (de l'eau par exemple) fait-il perdre de l'énergie à l'électron puisqu'il n'y a pas d'interaction directe (il n'y a pas de choc avec les molécules et l'électron n'émet pas de rayonnement lui même)?
Ou bien le simple fait de "passer par là" au sein du milieu dipolaire crée une perte d'énergie.

De plus pouvez-vous me dire comment la lumière perd perd de la vitesse en traversant un milieu transparent? Est-ce accompagné d'une forme de perte d'énergie? Si oui dans ce cas la lumière ayant traversé une vitre doit subir un décalage spectral vers le rouge... (ce qui me fait penser au décalage spectral des galaxies dû à l'effet Doppler... une partie de ce décalage ne serait-il pas à mettre en compte sur le dos de l'imperfection du vide interstellaire?)

Bonjour.
Quand la lumière traverse un milieu, son champ électrique fait osciller les électrons du milieu (même fréquence, même direction), lesquels re-émettent une onde électromagnétique similaire mais d'amplitude et phase qui dépendent du milieu. Cette onde re-émisse par le milieu agite aussi les électrons des couches suivantes qui re-émettent à leur tour. Ce que nous voyons est la somme de ce qui reste de l'onde originale et des ondes re-émisses.
Donc ce n'est pas la lumière qui perd de la vitesse, c'est le résultat de cette somme qui prend du retard de phase par rapport à l'onde originale.
Ce type de rayonnement est du aux électrons seuls. Il a lieu aussi pour les métaux, avec des résultats un peut plus marqués.
La lumière ne fait pas aligner les dipôles moléculaires. Leur temps de relaxation est beaucoup trop long. Pour l'eau il me semble que la fréquence tourne autour de 40 GHz.

Il ne faut pas confondre ce rayonnement avec le rayonnement du aux changements de niveau des électrons dans les molécules, ni avec le rayonnement thermique.

La radiation de Cerenkov n'a lieu que si la particule à une vitesse plus grande que celle de la lumière dans le milieu.
La lumière ne perd pas de l'énergie dans un milieu transparent. Dipolaire ou non.
Il n'y a pas de changement de fréquence quand la lumière traverse un milieu transparent à l'arrêt.
Au revoir.

[predigny]

.... Je ne suis pas clair sur cette notion de particule (le photon ou l'électron) et l'onde qui l'accompagne mais qui est des millions de fois plus étendue spacialement que la particule. ! ....

Personne pour donner une idée pour comment comprendre intuitivement cette dualité onde-particule et surtout la différence d'étendue spaciale de ces deux composantes ?

[LPFR]

Bonjour.

Personne pour donner une idée pour comment comprendre intuitivement cette dualité onde-particule et surtout la différence d'étendue spaciale de ces deux composantes ?

Je pense que ce n'est pas la bonne époque de l'année pour poser la question. Il faudrait attendre la rentrée.

Pour moi, les ondes et les particules ne sont que des modèles que nous utilisons pour expliquer des phénomènes. Et dans certains cas, un modèle est plus approprié que l'autre.
Évidemment, dans les manips dans lequel le comportement dual et simultanée, c'est un peu gênant.
Mais je continue à penser que nous ne connaissons pas La Vrai Nature des ondes ou des particules.
La dernière fois que j'ai écrit ça une foriste (Mariposa), m'a répondu qu'elle connaissait La Vrai Nature des ondes électromagnétiques.
Il faudra que vous attendiez qu'elle vous réponde.
Cordialement,
LPFR

[predigny]

Merci LPFR de cette réponse. Ca fait plus de 40 ans que je me pose cette question, alors je ne suis plus à deux mois près pour avoir la réponse Mais je crois comme vous que si le comportement observé de ces "choses" est bien modélisé mathématiquement, la compréhention profonde de ce qui est derrière n'est pas près d'être acquise (je parle pour moi évidemment).

[invitea774bcd7]

Tourne-toi vers la QFT. Pas de particules, pas d'ondes, fini la dualité : que des excitations élémentaires de champs… Ça te parle mieux ?

[predigny]

Tourne-toi vers la QFT. Pas de particules, pas d'ondes, fini la dualité : que des excitations élémentaires de champs… Ça te parle mieux ?

Bien sûr ! The Quantum Field Theory c'est mon livre de chevet. Il n'y a rien de tel pour trouver le sommeil.

[chaverondier]

Personne pour donner une idée pour comment comprendre intuitivement cette dualité onde-particule ?

C'est pas pire que la dualité spin vertical/spin horizontal d'un électron.

• Si je mesure le spin vertical de l'électron, je trouve que cet électron a un spin vertical (up ou down)
• Si je mesure son spin horizontal, je trouve que l'électron a un spin horizontal (droite ou gauche)

Question : Alors, l'électron a-t-il un spin vertical ou un spin horizontal ?
Réponse : Ben ça dépend de ce que je mesure.

Question : Quand, après avoir mesuré le spin vertical de l'électron, je mesure son spin horizontal, quel est son nouveau spin vertical ?
Réponse : Il n'en a pas encore (dit autrement, il est dans un état de spin vertical superposé).

Asher Peres (un non réaliste) a coutume de marteler : "Unperformed experiments have no outcomes". C'est la négation de la légitimité des approches dites contrafactuelles (que se serait-il passé si...?).

[invitea774bcd7]

C'est quoi les spins vertical/horizontal ? Je suis pas familier avec ça…

[predigny]

C'est quoi les spins vertical/horizontal ? Je suis pas familier avec ça…

C'est un état quantique qui correspond à l'énergie d'une sorte de moment cinétique de rotation, ce qui est currieux pour une particule qui est parfaitement ponctuelle.

[chaverondier]

...l'énergie d'une sorte de moment cinétique de rotation.

Mouais...L'énergie, c'est des Nm, le moment cinétique c'est la même unité que la constante de Planck h, une action, cad des Nms (bref, pour la QFT, il faudra voir ça un peu plus tard )

...pour une particule qui est parfaitement ponctuelle...

La fonction d'onde de l'électron ne peut jamais se trouver dans un état de type pic de Dirac (que se soit en représentation position ou en représentation impulsion d'ailleurs).

[predigny]

...
La fonction d'onde de l'électron ne peut jamais se trouver dans un état de type pic de Dirac (que se soit en représentation position ou en représentation impulsion d'ailleurs).

C'est vrai ! autrement les collisionneurs électron-positon n'aurraint pas beaucoup d'impacts à enregistrer