Onde ou particule?

[Ameno92]

Bonjour! J'ai 15 ans et j'ai lu récemment le livre "une brève histoire du temps" de Stephen Hawking, un livre passionnant.
Je reviens au principe d'incertitude qui dit que nous ne pouvons mesurer avec précision la vitesse ET la position d'une particule. Si j'ai bien compris (mais je n'en suis pas tout à fait sûr), si l'on lance un photon sur, par exemple, un électron, la répartition des photons après avoir touché l'électron nous permet de deviner la position de ce dernier. Cependant, lorsque le photon le touchera, il modifiera sa vitesse. Le taux de précision correspond à la distance entre deux crêtes. Or, si l'on diminue la distance, on devrait trouver une mesure plus précise. Mais comme plus les crêtes sont rapprochées, plus les ondes sont énergétiques, si l'on diminue la distance, la vitesse de l'électron sera encore plus modifiée lorsque le photon le touchera. Nous ne pouvons donc pas mesurer simultanément la position et la vitesse d'une particule, et notre taux de précision est limité.

Mais j'ai pensé: imaginons que nous effectuons d'abord un test corpusculaire pour que le photon sois sous forme de particule. Le photon est ensuite renvoyé par un système de miroir sur l'électron. Connaissant l'angle de la trajectoire du photon, et avec nos capacités mathématiques, en sachant donc où le photon touche l'électron, nous pourrions pouvoir mesurer sa position, ainsi que la vitesse qu'on lui a ajoutée. Si nous reproduisons l'expérience de la même manière, en soustrayant la vitesse ajoutée lors du premier test à sa vitesse sur le moment, nous devrions obtenir sa vitesse de base. Par conséquent, nous pourrions calculer la vitesse et la position d'une particule.

J'ai déjà posé cette question à quelqu'un qui s'y connait en physique, et il m'a répondu que ceci n'est qu'un exemple fait pour expliquer un résultat mathématique complexe. Mais, en théorie, cela devrait marcher?
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[Deedee81]

Bonjour,

il m'a répondu que ceci n'est qu'un exemple fait pour expliquer un résultat mathématique complexe

Il a raison mais.... ce ne doit pas être très satisfaisant comme réponse.

Il existe des tas de "trucs et astuces" dans le but d'essayer de contourner le principe d'indétermination. Certains sont utilisés dans les introductions de cours pour l'illustrer.

La difficulté (parfois bien cachée dans certaines expériences) est qu'il ne faut pas oublier que tout ce que l'on décrit dans l'expérience doit être mesuré. Par exemple, dans ton cas, la position des miroirs (et donc l'angle de réflexion du photon). Or à ce niveau de précision, on ne peut plus négliger les fluctuations quantiques et le fait que miroir lui-même est soumis au principe d'indétermination. Il ne peut avoir à la fois une position et une vitesse infiniment précise, ce qui introduit des incertitudes dans la trajectoire du photon. Et donc dans le résultat final.

Cela peut sembler singulièrement mystérieux lorsqu'il est présenté comme ça. Par quel effet pervers la nature arrive-t-elle à contrer toutes notre ingéniosité à trouver une expérience permettant de mesurer à la fois la position et la vitesse avec une précision arbitraire ? La difficulté est que ce type d'expérience ne montre pas de manière flagrante l'origine du phénomène.

Essayons d'illustrer ce phénomène autrement (je vais malheureusement devoir faire un peu court, je ne peux pas taper un cours complet, pas la place dans un forum et pas le temps ).

1) Tu connais l'expérience de Young ? http://fr.wikipedia.org/wiki/Fentes_de_Young
On envoie des ondes sur deux fentes et en se recombinant elles donnent des franges d'interférences, très typiques des ondes et ça permet de mesurer leur longueur d'onde (je l'ai déjà fait avec un laser)
Ca marche avec des ondes lumineuses, avec des vagues, avec du son et même avec des électrons ou des atomes et des molécules (on l'a déjà fait avec des fullerènes, C60, 60 atomes de carbones)

Ca peut sembler étrange. Voilà des objets qui ont clairement un comportement corpusculaire (on sait les manipuler un par un, on ne peut les diviser dans les détruire et leur impact sur une cible est un point) et qui pourtant agissent comme des ondes. Ne peut-on savoir par quelle fente sont passée ces particules ? Si on fait ça, les franges d'interférence disparaissent (ce qu'on vérifie par un simple argument de comptage en comparant au cas où une seule fente est ouverte).
Là aussi il existe des tas d'expériences pour essayer de contourner ce comportement énervant. Là aussi la nature contre tous nos efforts.

2) L'explication classique est "en essayant de savoir par où (par exemple) les électrons sont passés on les perturbe et cela détruit les franges d'interférence".

Et pourtant, même si le calcul et l'expérience le confirme, ce n'est pas entièrement vrai. L'explication est plus profonde que cela. Et encore plus étrange. C'est le simple fait se savoir par où passe la particule qui détruit la figure d'interférence !!!! Comment un savoir peut-il changer son comportement ?

Pour illustrer ce phénomène, on peut utiliser une mesure sans interaction. Une méthode (étrangeté du monde quantique) permettant de mesurer la présence d'une particule sans interagir avec elle. http://en.wikipedia.org/wiki/Elitzur...an_bomb_tester (désolé pour la page en anglais, Wikipedia est pauvre sur ce sujet et la page française est encore plus maigre). Il y a moyen d'améliorer ce dispositif pour avoir une détection à très haute fiabilité (ça a même été réalisé en pratique, en laboratoire).

On peut donc l'utiliser pour mesurer par où passe l'électron sans le perturber le moins du monde et pourtant là aussi les franges d'interférences disparaissent !!!!! Comme le montre le calcul (cette fois je ne sais pas si on a réaliser l'expérience réellement)

3) Cela montre plusieurs choses.

3.1) Le principe d'indétermination n'a pas pour origine un problème de précision des mesures ou d'incertitude, c'est plus profond que cela et fait partie de la nature même des objets quantiques. Tu auras noté que j'ai pris l'habitude de prendre soin à dire "principe d'indétermination" et non pas "principe d'incertitude"

3.2) Ce caractère indéterminé est lié au caractère ondulatoire de la matière. Ce phénomène existe avec les ondes et n'a rien d'étrange. Une vague n'a pas une position ponctuelle précise, elle est étalée. Et si on prend un petit paquet d'onde, on remarque que l'imprécision sur sa longueur d'onde (qui est liée à l'impulsion pour les particules) et sur sa position sont relié par une relation.... qui ressemble comme deux goutes d'eau au principe d'indétermination de Heisenberg !!!! Et on sait faire le lien.

3.3.) Tout ça montre que les particules sont des ondes, pas des corpuscules. Tout mystère disparait.... presque. Car ce ne sont pas des ondes classiques, comme les vagues. Elles ont quelques aspects qui les en distinguent :
a) Lorsque deux ondes quantiques interagissent, elles le font toujours en un point précis (et non de manière étalée) avec un aspect aléatoire. Ce sont nos points d'impacts ci-dessus
b) Si une particule isolée peut se décrire par une onde classique, dès qu'on a deux particules, l'onde globale de ces deux particules n'a pas d'équivalent classique et manifeste des phénomènes très étranges tel que l'intrication

Des étrangetés tel que les mesures sans interactions sont en fait des facettes étranges de ces caractéristiques. En fait, il y a bel et bien interaction (à travers le (b) et la description globale particule - appareil - humain), mais comme nous ne percevons qu'une partie de l'information (à cause du (a) ), le phénomène nous semble bien étrange. Toutefois, le fait qu'il y ait réellement interaction permet de mieux comprendre que cela fasse disparaitre nos franges d'interférences, même si l'interaction en question est à des année-lumière de ce qu'on appellerait interaction en physique classique.

Voilà, désolé de ne pas être plus détaillé et plus précis. J'espère ne pas avoir encore plus embrouillé les choses (quoi difficile de faire pire que le flou quantique ).

[interferences]

PS : Ici le sens de savoir et très différent du sens classique et extérieur à toute subjectivité (pour pas tomber dans les pseudo-sciences). En clair ici savoir = l'information existe.
Pour observer des franges d'interférences, il faut que l'information de la position (par quel trou il est passé) du photon n'existe pas. (Je trouve que c'est plus clair que "savoir")

[Deedee81]

PS : Ici le sens de savoir et très différent du sens classique et extérieur à toute subjectivité (pour pas tomber dans les pseudo-sciences). En clair ici savoir = l'information existe.
Pour observer des franges d'interférences, il faut que l'information de la position (par quel trou il est passé) du photon n'existe pas. (Je trouve que c'est plus clair que "savoir")

Je suis d'accord.

Il y a de grandes difficultés pour vulgariser ce genre de sujet dans la mesure où notre vocabulaire est adapté à un monde classique et non quantique. D'autant que le monde quantique est riche en phénomènes n'ayant absolument aucun équivalent classique (spin 1/2, intrication,...) Cela entraine des ambiguïtés dans l'usage de certains mots. En physique pure et dure, où l'on utilise des maths et des résultats de mesures, la difficulté ne se pose pas. Mais dès qu'il faut décrire ça en français (ou toute autre langue humaine), boum, problème.

[A voir en vidéo sur Futura]