Dualité et mesures

[invited47846fb]

Bonjour,

Je m'intéresse depuis peu à la physique quantique pour des raisons de culture générale et de curiosité.
J'ai téléchargé et vu un certain nombre de conférences sur le sujet, dont certaines fort bien faites.
J'ai donc bien "admis" ("comprendre" semble un bien grand mot) les notions comme la dualité, la superposition d'état, ou l'intrication.
Cependant, même sur des expérience simple, certains points demeurent obscurs pour moi et je n'ai trouvé d'explications nulle part.
Je pense donc soit avoir raté une explication d'un phénomène, soit d'avoir compris quelque chose "de travers". C'est pourquoi je viens vers vous.

Comme il semble d'usage en physique quantique, je vais faire une expérience de pensée, qui a été réalisée à de maintes reprises, mais dont on ne montre qu'une partie. Je vais donc parler d'un système de "fentes de young" mais concernant des électrons. Si j'ai bien tout compris, ces électrons présentent, comme les photons, une dualité onde/corpuscule malgré que l'effet soit un peu plus "dilué" que pour un photon, réputé plus simple et donc "plus quantique" si mon expression est correcte ainsi que ma compréhension des choses.

Bref, je reprends cette expérience ultra-connue mais plutôt que de ne présenter que la partie qu'on montre habituellement, je présente l'intégralité de l'expérience, à savoir :
- Une génératrice permettant de faire circuler les électrons dans le ciruit
- Le canon à électrons connecté sur la borne négative de la génératrice
- L'écran de réception des électrons connecté sur la borne positive, et donc permettant de récupérer les électrons émis.
Donc, de façon très simplifiée, un schéma mettant en oeuvre un simple tube cathodique.
Dans ce tube, je place donc mes fentes d'interférence et je démarre l'expérience.

D'après ce que j'ai lu, on observe un phénomène d'interférence de type ondulatoire sur l'écran, les électrons se comportent donc comme des ondes
J'ajoute donc le fameux système de mesure pour voir par quel trou passe chaque électron, et donc à partir de ce moment ma mesure annule la dualité onde/corpuscule de l'électron, et celui-ci "devient" un corpuscule. Arrivé sur l'écran, il continue à se comporter comme un corpuscule et donc l'écran ne visualise plus des interférences ondulatoires mais des impacts de particules, et donc un motif différent.

Déjà à ce niveau je m'interroge. En effet, dans le second cas, mon écran "confirme" le fait que mes électrons soient des particules, fait déjà établit par la détection du trou utilisé.
Même sans aller "lire" l'information sur mon "détecteur du trou", la simple vue de l'écran m'informe de la nature corpusculaire ou ondulatoire de mon électron, l'écran ne pouvant m'afficher deux choses contradictoires simultanément. Partant de ce constat, je note donc que si je ne détecte pas par quel trou mon électron est passé, alors mon écran "mesure" l'électron comme étant une onde, alors que ce même écran pourrait aussi me détecter l'électron comme étant une particule. Et donc, force est de constater que mon écran, par défaut, transforme la dualité onde/corpuscule en un électron purement ondulatoire. L'état ondulatoire est donc prioritaire par défaut sur l'état corpusculaire. Ma question est donc: pourquoi mon écran force-t-il mon électron à devenir ondulatoire plutôt que corpusculaire? L'état ondulatoire serait-il une sorte "d'état par défaut"? N'est-ce pas contradictoire avec la notion même de dualité?

Je note aussi que le "passage" de l'état de dualité à l'état "réduit" s'expliquerait soit par le fait même de "savoir" via une mesure l'état de l'électron, et ceci s'appellerait "réduction du paquet d'ondes" (donc c'est le fait de "savoir" pour l'utilisateur qui impose l'état), soit par l'interférence de cet électron avec un élément non-quantique, en l'occurence l'appareil de mesure (ce qui annule toute notion de "connaissance" et "d'observateur" mais fait intervenir l'environnement). Ai-je bien compris?

Je poursuis ma réflexion, et ceci va expliquer pourquoi j'ai utilisé des électrons et non des photons. Dans le cas 2, mon électron, "réduit" à un corpuscule, arrive sur mon écran. Il est alors (et c'est ça qui n'est abordé dans aucune conférence que j'ai regardée) récupéré et revient à l'anode de la génératrice. Celle-ci va le ré-injecter sur sa cathode, et donc, le même électron corpusculaire arrive une seconde fois sur mon canon, et donc passe une seconde fois par mon expérience. Force est de constater qu'au bout d'un temps très court, l'intégralité de mes électrons ont été détectés comme "corpusculaires" et ont perdu leur état de dualité. J'enlève alors mon détecteur de passage, et mon expérience devrait me montrer à l'écran des franges d'interférences, sauf que les électrons émis ne sont plus dans un état de dualité et donc mon expérience me montrerait à l'écran une nature corpusculaire des électrons.
Mon soucis est donc:
- Si une fois "mesurés" mes électrons deviennent définitivement corpusculaires, alors il n'est plus possible d'afficher des franges d'interférences ondulatoires. Et donc, en poursuivant mon raisonnement: sachant que ces électrons sont présents sur terre depuis des millions d'années, comment n'ont-ils pas encore subit un phénomène de décohérence et donc comment sont-ils encore utilisables en tant que particules présentant une dualité?
- Par contre, si l'expérience montre à nouveau des franges d'interférence, alors ça veut dire que mes électrons arrivés sur mon écran étaient corpusculaires mais qu'une fois arrivés de nouveau sur mon canon à électrons ils sont redevenus en état de dualité. Si oui, alors à quel endroit de mon circuit électrique cette dualité réapparait-elle et pourquoi?

Également, je note une espèce "d'incohérence", démontrant que j'ai mal compris quelque chose : entre les franges et l'écran mon écran est soit une onde soit un corpuscule mais n'est plus en état de dualité. Il existe donc dans la nature des électrons présentant un état de dualité et d'autres pour lequel cet état n'existe plus. Comment alors peut-on nous dire qu'un électron ou un photon sont des particules présentant une dualité, alors même que cette dualité peut disparaître?

Je sais que mes questions vont sûrement paraître stupides aux spécialistes de la physique quantique, mais ces points me bloquent alors même que je n'essaye pas (du moins je pense) d'appliquer des raisonnements de physique "ordinaire" aux phénomènes quantiques. Bref, il me manque des données.

Je remercie toute personne qui pourra m'éclairer sur mes questions, et désolé d'avoir été long, j'ai préféré essayer d'être le plus clair possible dès le départ.

Roger
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[franklin.]

Bonjour,


J'ajoute donc le fameux système de mesure pour voir par quel trou passe chaque électron, et donc à partir de ce moment ma mesure annule la dualité onde/corpuscule de l'électron, et celui-ci "devient" un corpuscule. Arrivé sur l'écran, il continue à se comporter comme un corpuscule et donc l'écran ne visualise plus des interférences ondulatoires mais des impacts de particules, et donc un motif différent.

Bonjour,
quel est le système de mesure utilisé ?
merci

[coussin]

Dans les expériences, les électrons ne sont jamais « récupérés et renvoyés » dans l'expérience. Ils sont perdus à la détection.

[invited47846fb]

Bonjour,

quel est le système de mesure utilisé ?

J'ignorais que ça avait une importance.
L'électron est porteur d'une charge négative, donc n'importe quel procédé permettant de générer une fem lors du passage d'une charge. En tout état de cause, les mécanismes de détection proposés dans les expériences que j'ai trouvées induisent que l'électron se conduise ensuite comme une particule: mettons que j'utilise ce procédé sans le préciser, tout comme les conférenciers.

Dans les expériences, les électrons ne sont jamais « récupérés et renvoyés » dans l'expérience. Ils sont perdus à la détection.

Justement, c'est ça qui m'interpelle. Quand on "perd" le produit résultant de l'expérience je trouve qu'on simplifie un peu trop la réalité et ça ne permet pas d'envisager la suite.

Moi, je suis "bêtement" électronicien : dans mon circuit électrique les électrons que j'injecte d'un côté (le canon) doivent provenir de l'autre côté (l'écran) et donc être récupérés, ma génératrice ne produisant pas d'électrons mais se contenant de les mettre en mouvement, comme dans tout circuit électrique classique. De toutes façons, dans un tube cathodique on a bien une cathode émettrice et un écran recouvert d'une couche conductrice chargée de récupérer justement les dits électrons. Si l'électron était "perdu" sur l'écran, il devrait se transformer en énergie sinon les charges négatives s'accumuleraient sur l'écran et repousseraient tout nouvel électron envoyé.

Mais de toutes façons ma question demeure : si une fois qu'un électron est "réduit" au statut de particule, redevient-il dans un état de dualité, et si oui, pourquoi et quand, ou reste-t-il à demeure dans l'état de particule, auquel cas comment se fait-il qu'après des millions d'années tous ces électrons n'aient pas déjà subis le mécanisme de décohérence via des processus naturels? Et, question accessoire découlant de la première, existe-t-il dans la nature des électrons présentant la dualité alors que d'autres ont déjà été "réduis" et sont figés dans un état corpusculaire ou ondulatoire?

Accessoirement, quel est le résultat réel de mon expérience? Verrai-je des interférences ou non après ré-utilisation de mes électrons corpusculaires issus d'une précédente expérience?
Merci
Rog

[A voir en vidéo sur Futura]

[Nicophil]

Bonsoir,

D'après ce que j'ai lu, on observe un phénomène d'interférence de type ondulatoire sur l'écran, les électrons se comportent donc comme des ondes.
J'ajoute donc le fameux système de mesure pour voir par quel trou passe chaque électron, et donc à partir de ce moment ma mesure annule la dualité onde/corpuscule de l'électron, et celui-ci "devient" un corpuscule. Arrivé sur l'écran, il continue à se comporter comme un corpuscule et donc l'écran ne visualise plus des interférences ondulatoires mais des impacts de particules, et donc un motif différent.
nce de cet électron avec un élément non-quantique, en l'occurence l'appareil de mesure (ce qui annule toute notion de "connaissance" et "d'observateur" mais fait intervenir l'environnement). Ai-je bien compris?

C'est l'inverse !
- Si tu envoies les électrons un par un, tu vas les voir arriver un par un sur l'écran, comme des billes: comportement corpusculaire. Les billes forment petit à petit des franges.
- Tu ne peux pas à la fois détecter par quel trou passe tel électron et continuer à observer des franges : en mesurant par quel trou il passe, son comportement ondulatoire est mis à mal.

[coussin]

Quand on parle d'écran, on veut dire un dispositif capable de résoudre spatialement où l'électron atterrit. Si vous pouvez combiner ça avec le fait de « récupérer » les électrons et les réinjecter dans l'expérience je ne vois pas pourquoi il n'y pas de nouveau des interférences.

(J'ajoute que personnellement, je suis contre la dualité onde-corpuscule qui est une vielle idée maintenant dépassée et qui mène à coup sûr aux myriades de questions posées sur ce forum à propos de cette expérience.
Un électron n'est pas soit un corpuscule soit une onde, il n'est ni l'un ni l'autre. Il faut raisonner en terme de champ qui est l'objet fondamental. On se rend compte alors que le concept même de particule est tout sauf trivial…)

[Nicophil]

Verrai-je des interférences ou non après ré-utilisation de mes électrons corpusculaires issus d'une précédente expérience?

Ah là là, après les photons avec des valoches sous les yeux, voici maintenant les filières de recyclage pour électrons décohérés !

[Nicophil]

Il faut raisonner en terme de champ qui est l'objet fondamental.

Champ de quoi, mesuré en quoi ?

[curieuxdenature]

Bonjour

les expériences de pensée peuvent mener à de fausses conclusions en MQ, il vaut mieux reprendre l'historique des expériences qui ont facilité la notion de dualité.
C'est de Broglie qui proposé ça pour la matière et ce sont Germer et Davisson qui ont réalisé une expérience cruciale.
Partant de la diffraction des rayons X par un cristal dont les mailles avaient l'écartement requis, les deux physiciens ont imaginé la même avec des électrons soumis à une tension correspondante à l'énergie des rayons X soit 54 eV.
les résultats furent convaincants.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Exp%C3%...avisson-Germer

Je dirais comme coussin que c'est une chose à accepter comme telle, et pour le bout du bout du fond de l'explication, bein ma foi, je pense qu'il faudra patienter un peu.

[coussin]

Champ de quoi, mesuré en quoi ?

C'est un objet abstrait qu'on ne mesure pas Pour l'électron, on sait au moins qu'il doit être spinoriel, massif, chargé.

Il y a un schisme dans ma manière de voir et celle de Rog123. Lui imagine un électron dans un fil de cuivre comme une petite bille qu'on peut « suivre » alors qu'elle se démène dans le dédale d'atomes de cuivre… Moi, j'imagine les champs de 10^23 atomes de cuivre se couplant aux champs de 10^23 électrons (après tout le fil est neutre…) et j'ai beaucoup de mal, dans cette vision, à donner une quelconque « individualité » à notre électron

[invited47846fb]

Bonjour,

Tout d'abord, merci à ceux qui m'ont proposé des réponses constructives, ça m'aide à y voir clair.

Si je comprends bien ceci :

Il y a un schisme dans ma manière de voir et celle de Rog123. Lui imagine un électron dans un fil de cuivre comme une petite bille qu'on peut « suivre » alors qu'elle se démène dans le dédale d'atomes de cuivre… Moi, j'imagine les champs de 10^23 atomes de cuivre se couplant aux champs de 10^23 électrons (après tout le fil est neutre…) et j'ai beaucoup de mal, dans cette vision, à donner une quelconque « individualité » à notre électron

Ça voudrait dire que tant que mon électron se trouve entre la fente et l'écran, il est une particule élémentaire qu'on peut suivre et qui peut subir la décohérence.
Une fois qu'il retourne en "compagnie" des autres électrons, il cesse d'être individualisable et donc subit l'influence de l'ensemble des autres électrons, ce qui lui "ôte" la particularité qu'il avait acquise et il devient donc à nouveau cohérent. Donc, le résultat de l'expérience fait que même si l'électron a subit une fois une décohérence, cette décohérence en tant que particule individuelle n'existe plus et que donc le passé de la particule a été "effacé". Ceci ajouté au fait que, plus profondément, un électron baignant dans un ensemble d'électron n'est pas une particule individualisable, elle ne le devient que grâce à l'expérience elle-même et durant le temps de cette expérience, même si statistiquement au bout d'un certain temps 100% des électrons ont subit l'expérience.

C'est bien ça?

Ah là là, après les photons avec des valoches sous les yeux, voici maintenant les filières de recyclage pour électrons décohérés !

C'est clair que c'est un commentaire hautement constructif et qui incite à poser des questions sur un forum.
Je n'ai aucun mal à reconnaître que je suis nul en physique quantique, puisque je ne m'y intéresse que depuis quelques jours et que je l'ai indiqué d'entrée.

Pour ma part, ma formation initiale (électronique) m'a appris qu'un courant électrique était le fait de la circulation d'électrons dans un conducteur. Cette même formation m'a appris que si je veux envoyer des électrons et les récupérer sur un écran, je dois provoquer cette circulation de courant. Partant de là, ma logique de physique classique m'indiquait que ce sont toujours les mêmes électrons qui tournent dans mon circuit électrique, et j'ai donc trouvé logique de demander ce qu'il advenait d'un électron participant plusieurs fois à la même expérience. Maintenant je commence à cerner mon erreur, mais c'est loin d'être intellectuellement évident au premier abord, surtout lorsque ça remet en question l'idée qu'on avait de phénomènes qu'on utilise quotidiennement depuis plus de 30 ans.

Sinon, j'ai cru lire que le but de la physique quantique n'était pas de décrire la réalité mais plutôt de pouvoir prévoir le résultat des expérience. J'ai simplement proposé une petite expérience reproductible sans grands moyens et j'ai demandé quel serait le résultat de l'expérience et pourquoi. J'ignorais qu'il y avait des expériences idiotes à réaliser.

Mes derniers propos étant quantiques (inclus celui-ci), n'y vois qu'une superposition d'humour au second degré et de critique sur cette nouvelle habitude de certains "spécialistes" à lancer des "réponse" dont le but est de souligner l'ignorance de celui qui pose une question. C'est donc ta propre mesure de mes propos qui leur donnera leur sens final.

Merci
Rog

[curieuxdenature]

j'ai donc trouvé logique de demander ce qu'il advenait d'un électron participant plusieurs fois à la même expérience

Bonjour Rog123

et tu a bien fait de te poser la question, à ce niveau, l'électron n'interagit pas de la même façon que le photon, il se conserve puisque c'est une particule stable qui n'a qu'un seul état. Le photon par contre peut être absorbé, transformé, ce qui lui donne un statut différent.

Au niveau subatomique et à des niveaux d'énergies bien plus importants il existe d'autres lois à prendre en compte, un électron peut alors être 'absorbé' et participer à la construction d'une autre particule élémentaire. Si tu préfères, c'est un peu comme un photon pouvant être absorbé par un atome pour en faire un état excité. La différence est que le photon sera recraché avec n'importe quel niveau d'énergie alors que l'électron n'a qu'un seul état connu.

[Nicophil]

Sinon, j'ai cru lire que le but de la physique quantique n'était pas de décrire la réalité mais plutôt de pouvoir prévoir le résultat des expérience.

Ah bah voilà! c'est exactement ça!
D'où la critique d'Einstein, Podolski et Rosen. D'où les querelles des Ecoles sur le terrain épistémologique.

[invited47846fb]

Un grand merci

Rog