Principe d'incertitude (Heisenberg) et photon

[invite110c1119]

Bonjour à tous,

Je découvre la physique quantique et trouve cela passionnant, mais il y a certaines choses que je ne comprends pas bien et j'aimerai avoir vos lumières.

Selon le principe d'incertitude de Heisenberg on ne peut pas mesurer à la fois la vitesse et la position d'une particule (je ne cherche pas à comprendre pourquoi, en fait je pense avoir saisie à peu près l'idée).

Ma question est la suivante : ce principe d'incertitude s'applique-t-il au photon ?

Si je pose cette question c'est parce-que je ne comprendrai pas que cela soit le cas, étant donné que la vitesse du photon est fixe et donc que sa position peut être selon moi forcément mesurée de manière précise (d'ailleurs on ne mesure pas un photon comme une autre particule puisque je suppose qu'on "n'éclaire pas" un photon).

Merci d'avance.
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[Amanuensis]

la vitesse du photon est fixe

La vitesse d'un photon n'est pas «fixe» (pas mesurée a priori), seul le module de la vitesse l'est. Il reste la direction, deux degrés de liberté.

[jacknicklaus]

Voir ce fil où cette même question est posée :


http://forums.futura-sciences.com/ph...x-photons.html

[invite110c1119]

Mais dans le cas d'un laser, on sait "orienter" des photons non ?



Cela m'amène à une autre interrogation :

Quand on fait l'expérience des fentes de Young, comme se fait-il que la trajectoire des particules n'est pas définie à l'avance ? Je veux dire qu'on sait orienter des photons dans un laser alors pourquoi dans l'expérience cela n'est pas le cas ?

+ Question bonus associée : comment est défini "angle" de l'onde qui "embrasse" les deux fentes dans cet expérience ou plutôt, quelle longueur maximum peut avoir "l'onde" correspondante à la particule avant de toucher l'écran (en supposant avoir un écran pouvant être de taille "infinie") ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[phys4]

Selon le principe d'incertitude de Heisenberg on ne peut pas mesurer à la fois la vitesse et la position d'une particule (je ne cherche pas à comprendre pourquoi, en fait je pense avoir saisie à peu près l'idée).

Ma question est la suivante : ce principe d'incertitude s'applique-t-il au photon ?

En outre, c'est une mauvaise application du principe d'indétermination :
il faut l'appliquer à des mesures simultanées de position et d'impulsion ! pas de vitesse.

[mach3]

En outre, c'est une mauvaise application du principe d'indétermination :
il faut l'appliquer à des mesures simultanées de position et d'impulsion ! pas de vitesse.

j'allais le dire. Et l'incertitude sur l'impulsion se traduit alors en incertitude sur la longueur d'onde.
Soit l'onde est très étalée dans l'espace (incertitude sur la position) et la longueur d'onde peut être définie précisément (la transformée de Fourier donnera un pic très fin)
Soit l'onde est très localisée (position très précise) et la longueur d'onde est alors très mal définie (la transformée de Fourier donnera une patate large).

m@ch3

[invite110c1119]

Phys4> Merci pour ta réponse.

L'impulsion correspond à la quantité de mouvement, autrement dit à la fréquence en plus de l'orientation associée au photon c'est bien cela ? Ce qui m'explique du coup que même dans un laser je ne peux mesurer à la fois la position et l'impulsion (qui là correspond uniquement à la fréquence/énergie du photon) c'est bien cela ?

Du coup quand on dit "vitesse" ne peut-être définie en même temps que la position c'est une "simplification" qui prête à confusion (pour quelqu'un qui ne maîtrise pas le sujet comme moi).


Je sens que tu as la réponse à mes autres questions, tu n'as pas envie d'y répondre ?

Merci Mach3, j'avais effectivement compris ce principe mais j'avais interprété "vitesse" au sens "simple et naïf" du terme, maintenant je comprends.

[phys4]

Vous pouvez appliquer Heisenberg à chaque direction de l'espace de façon indépendante :

dans la direction de propagation, c'est la longueur d'onde qui n'aura une précision infinie
dans l'une des directions transversale, c'est la direction qui sera imprécise : si vous filtrer un faisceau par une fente mince, la diffraction provoque l'étalement de la direction suivant la dimension étroite de la fente.
C'est tout pour les questions ?

[inviteb061eab7]

j'allais le dire. Et l'incertitude sur l'impulsion se traduit alors en incertitude sur la longueur d'onde.
Soit l'onde est très étalée dans l'espace (incertitude sur la position) et la longueur d'onde peut être définie précisément (la transformée de Fourier donnera un pic très fin)
Soit l'onde est très localisée (position très précise) et la longueur d'onde est alors très mal définie (la transformée de Fourier donnera une patate large).

m@ch3

puisqu'on est dans le quantique il serait interessant de raisonner sur un seul photon et non plus sur une onde qui en general est une quantité non negligeable de photons ayant chacun des propriétés plus ou moins differentes
c'est le probleme du groupe
un photon seul n'aura pas de longueur d'onde mal définie sauf s'il est freiné quand il passe dans la matiere
mais est ce toujours le meme ou joue t il le role d'une boule de billard qui transmet son energie à d'autres ?
l'electron est plus chanceux , on lui prete une existence solitaire et un traitement quantique qui soufre du principe d'incertitude d'heisenberg
pourtant je ne vois pas bien en quoi sa quantité de mouvement/impulsion serait variable au cours du temps , à moins qu'il n'existe des puits de potentiel invisibles entre lesquels il bougerait comme les wagon du futur hyperloop entre les moteurs lineaires
j'avais interprété le principe d'incertitude plutot comme un probleme de mesure qui fait que pour mesurer il faut prelever un peu d'energie et donc modifier la vitesse
dans le cas des photons on peut connaitre à la fois sa position et son energie : sa position c'est la position du detecteur et son energie celle qu'il a cédé au detecteur
bref voila un cas qui invalide le principe d'heisenberg

[mach3]

puisqu'on est dans le quantique il serait interessant de raisonner sur un seul photon et non plus sur une onde qui en general est une quantité non negligeable de photons ayant chacun des propriétés plus ou moins differentes

ce que j'ai dit tiens pour un photon unique, qu'on peut modéliser par un paquet d'onde ( https://fr.wikipedia.org/wiki/Paquet_d%27onde ).

m@ch3

[phys4]

dans le cas des photons on peut connaitre à la fois sa position et son energie : sa position c'est la position du detecteur et son energie celle qu'il a cédé au detecteur
bref voila un cas qui invalide le principe d'heisenberg

Très drôle, l'application doit se faire sur une particule existante, et non sur une particule disparue.

l'indétermination de position, c'est la longueur du train d'onde, ou encore la durée de capture : à comparer à l'indétermination sur l'énergie.

[mach3]

dans le cas des photons on peut connaitre à la fois sa position et son energie : sa position c'est la position du detecteur et son energie celle qu'il a cédé au detecteur

Non, on ne peut pas.

La relation d'incertitude devient
Soit

Si l'énergie peut être connue très précisément, la position suivant l'axe de propagation (dans l'épaisseur du détecteur) est très mal connue (contrairement à la position en horizontale et verticale sur le capteur...).

m@ch3

[invite110c1119]

Phys4> désolé d'insister mais je viens de repenser aux lasers. En général on connaît la puissance du laser (en mW) ainsi que sa longueur d'onde (couleur). On connaît donc la longueur d'onde, la vitesse et l'orientation donc où demeure l'incertitude dans ce cas ? ou encore une fois est ce que je fais une confusion entre la longueur d'onde / couleur du laser et la fréquence d'un des photons contenus dans le laser ? Les deux sont peut être dissociables (pour moi c'est la même chose) ?

Sinon je n'ai pas bien compris le rapport entre ta réponse et la question sur l'expérience de Young. Exprimé autrement je me demande quelle est la longueur maximum d'une onde quantique ? Ou la longueur max entre deux positions superposées d'une particule ?

[Deedee81]

Salut,

Même pour un laser il y a une dispersion en direction et en longueur d'onde (un faisceau laser envoyé sur la Lune fait plusieurs centaines de mètre de large arrivé là bas. Et le spectre n'est pas une ligne infiniment fine). Et le produit des incertitudes est bien supérieur au chiffre donné par mach3 (en fait ces incertitudes ne sont pas due tant à la mécanique quantique qu'à des raisons technologiques. Par exemple, la longueur de la cavité : plus elle est courte et moins le faisceau est rectiligne).

[albanxiii]

Selon le principe d'incertitude de Heisenberg on ne peut pas mesurer à la fois la vitesse et la position d'une particule (je ne cherche pas à comprendre pourquoi, en fait je pense avoir saisie à peu près l'idée).

Non, il ne dit pas ça du tout.

Il vaut mieux parler d'ailleurs de relations d'indétermination de Heisenberg.

La vision que vous en avez donne lieu à des discussions qui n'ont pas lieu d'être quand on a compris ce que sont ces relations d'indétermination, et ce qu'elles veulent dire.

Ce texte http://bupdoc.udppc.asso.fr/consulta...ID_fiche=14043 est très clair et pédagogique (de mon point ed vue), vous devriez le lire (et même le relire).

@+

[invite110c1119]

albanxiii> Merci.

Malheureusement je n'ai pas le temps, ni la capacité de comprendre ce texte si pédagogique qu'il soit. Pour l'instant je me contente de la vulgarisation et j'essai de comprendre certains concept sans chercher à entrer nullement dans le moindre détail mathématique. Pour l'incertitude d'Heisenberg (désolé je reprend le terme "courant") je me suis contenté par exemple de vidéos qui expliquaient que "l'incertitude de la position" correspond grosso modo à la plage occupée par le train de l'onde.

Lorsque ce train d'onde est grand, on peut décomposer l'onde en peu de fréquences distinctes (sinusoïdes), autrement dit la plage des fréquences occupée est courte. Hors il y a corrélation entre fréquence/vitesse donc la vitesse peut-être plus précisément connue. A l'inverse quand ce train de l'onde est court on ne peut que le décomposer en un grand nombre de fréquences de base, donc la plage des fréquences est grande, donc l'incertitude liée à la vitesse est grande.

Cette explication a le mérite de pouvoir être comprise par n'importe qui (dont moi), néanmoins je sais qu'il s'agit de vulgarisation, et donc d'approches simplistes qui veut conduire à des mauvaises interprétations (dont la mienne pour la vitesse). Pour l'instant je me contente d'essayer de "comprendre" ce qui est à mon niveau, et de poser des questions sur les points qui me chagrine.

Peut-être un jour je serai capable d'aller plus loin dans les détails et de lire ton texte (je n'ai lu que le début, mais en regardant le nombre de pages et les équations qui suivaient j'ai pris peur...)


Deedee81> Merci pour tes explications claires. En fait je parle de laser mais cela n'est pas très pertinent quand j'y pense.

Par exemple lorsqu'on fait l'expérience de Bell : on balance des photons intriqués dans deux directions opposées. On est d'accord que les photons possèdent une vitesse connue, et ici la direction est également connu. Reste à savoir la fréquence du photon ou son énergie mais là encore je suppose qu'on connaît l'énergie des photons intriqués qu'on envoie non ? On sait "plus ou moins" le faire dans un laser alors dans un labo....
A partir de là, est-on d'accord que cela ne nous empêche en aucun cas de trouver la position exacte du photon, même si on connaît déjà tous les autres paramètres ?
Ou alors non c'est impossible, auquel cas je vais vraiment devoir approfondir ce principe d'incertitude.

[albanxiii]

Malheureusement je n'ai pas le temps, ni la capacité de comprendre ce texte si pédagogique qu'il soit.

Je demande donc à un modérateur de fermer ce fil qui fait perdre son temps à tout le monde.

[invite110c1119]

Je demande donc à un modérateur de fermer ce fil qui fait perdre son temps à tout le monde.

Je suis désolé AlbanXii je me rends compte que ma formule "je n'ai pas le temps" était maladroite. Pour autant j'espère que ce forum n'est pas fermé à une certaine "caste" ou "élite" et que ce n'est pas parce qu'on ne comprends pas des équations avec intégrale qu'on n'a pas le droit de poser une question.

De plus je suis certain que ton article pourra être utile à d'autres qui sont un peu plus érudits que moi sur le sujet. D'ailleurs et si tu le veux bien je me réserve le droit de le relire plus tard, qui sait peut-être que je serai en mesure de le comprendre...

[mach3]

Je ne parviens pas accéder au texte en question. Normal?

m@ch3

[obi76]

Bonjour,

Je suis désolé AlbanXii je me rends compte que ma formule "je n'ai pas le temps" était maladroite. Pour autant j'espère que ce forum n'est pas fermé à une certaine "caste" ou "élite" et que ce n'est pas parce qu'on ne comprends pas des équations avec intégrale qu'on n'a pas le droit de poser une question.

lorsque vous posez une question d'un domaine complexe, dire que vous n'avez pas le temps d'y réfléchir, et donc de dire que c'est réservé à une "élite" est parfaitement déplacé. L'"élite" dont vous parlez, sont des gens qui ont pris le temps d'y réfléchir, de se renseigner, de lire, d'étudier. Ce faisant vous vous isolez tout seul en prétendant que seule une pseudo-élite pourrait être capable de comprendre ce que l'on vous dit.

Donc soit vous admettez que ça ne se comprend pas en claquant des doigts (sinon n'importe qui peut s'improviser physicien), soit vous admettez que ce n'est pas forcément simple, et que oui, pour comprendre, il faut faire des efforts, et donc du temps.

[invite6c093f92]

Je ne parviens pas accéder au texte en question. Normal?

m@ch3

Aucun soucis pour accéder au texte de J-M Lévy-Leblond

En accès direct:


http://bupdoc.udppc.asso.fr/consulta...ID_fiche=14043

...

ON peut facilement faire abstraction de la démo, dans un premier temps le reste du texte permet de "comprendre" ou du moins de mieux cerner le sujet (le coté "technique" n'étant la que pour appuyer le discours).Et je suis pas une flèche, donc pas de "l'élite"...Ca laisse de l'espoir hein

[mach3]

Merci, ce lien marche.

Curieusement le lien précédent ne marche pas. Il m'amène sur un descriptif. Il y a bien un lien vers un pdf, mais il me dit que je n'ai pas le droit...

m@ch3

[invite110c1119]

Bonjour,



lorsque vous posez une question d'un domaine complexe, dire que vous n'avez pas le temps d'y réfléchir, et donc de dire que c'est réservé à une "élite" est parfaitement déplacé. L'"élite" dont vous parlez, sont des gens qui ont pris le temps d'y réfléchir, de se renseigner, de lire, d'étudier. Ce faisant vous vous isolez tout seul en prétendant que seule une pseudo-élite pourrait être capable de comprendre ce que l'on vous dit.

Donc soit vous admettez que ça ne se comprend pas en claquant des doigts (sinon n'importe qui peut s'improviser physicien), soit vous admettez que ce n'est pas forcément simple, et que oui, pour comprendre, il faut faire des efforts, et donc du temps.

Bonjour Obi,

Je pense que je me suis fais mal comprendre puisque je n'admet pas, je constate tout simplement que "ça ne se comprend pas en claquant des doigts ", "que ce n'est pas forcément simple, et que oui, pour comprendre, il faut faire des efforts, et donc du temps"... bien sûr. Mais qui dira le contraire ? J'ai reconnu que le "je n'ai pas le temps" était maladroit (même si effectivement j'ai peu de temps à consacrer à cette "passion").


Seulement voilà, quand une personne pose une question sur un sujet, complexe ou pas, on peut estimer le niveau de la personne (par exemple dès le début s'il annonce "qu'il découvre la mécanique quantique") par rapport à sa question et donner une réponse à son niveau.

Il faut aussi se placer du point de vue de celui qui pose la question, répondre de manière inappropriée à un néophite (en le noyant d'équations ou de termes qu'il est tout à fait incapable de comprendre) n'aura pour seules conséquences de le rebuter voir de le vexer...
Quant à ma remarque sur "l'élite" elle ne faisait écho qu'à la demande de fermer la discussion "sous prétexte que je n'étais pas capable de comprendre l'article".

Je ne reproche absolument rien à Albanxiii, au contraire je le remercie d'avoir pris le temps de répondre à ma question, mais il faut admettre que sa réponse n'était pas "à mon niveau", tandis que d'autres personnes m'ont fait des réponses "accessibles".

Soit dit en passant, j'ai pris la peine entre temps de lire son article sans aller jusqu'à la partie théorique hors de ma portée et la conclusion que j'en tire et que le terme "d'incertitudes" n'est pas "rigoureux" et provient de notre vision biaisée par la mécanique classique. Ok, merci pour cette précision, l'article est par ailleurs intéressant puisque l'auteur met bien l'accent sur le fait qu'on parle "d'incertitude" lorsqu'on "ignore" la nature "non classique" des particules. Mais pour être honnête son article n'a fait que confirmer ce que je "savais déjà" sur le sujet: j'utilise peut-être les mauvais termes mais réellement à mon niveau je ne vais pas me permettre de chipoter sur le vocabulaire utilisé.

[inviteb061eab7]

tu pars d'une equation dans laquelle j'affirme que delta X =0 et delta p=0 donc tu ne m'a rien demontré

[Deedee81]

tu pars d'une equation dans laquelle j'affirme que delta X =0 et delta p=0 donc tu ne m'a rien demontré

Bonjour baiegeai,

Plus haut tu n'as aucune équation dans ton message.

Et pourrais-tu aussi préciser à qui tu réponds ?

Merci,

(j'ai aussi une remarque sur le fond, mais je vais attendre tes précisions au cas où j'aurais mal compris. Et je rédigerai sur le fond en noir et non en vert, évidemment)

[invite51d17075]

@pascal_dal:
concernant le laser.
le fait que le faisceau soit cohérent n'empêche nullement que le principe de H s'applique à chaque photon individuellement.
( même si cela peut sembler intuitivement paradoxal )
il est d'ailleurs à noter que la quantité de mouvement n'est pas un scalaire mais un vecteur.
une explication dans ce sens sur ce fil ( laser et fentes )
http://forums.futura-sciences.com/ph...eisenberg.html
Cdt

[inviteb061eab7]

Non, on ne peut pas.

La relation d'incertitude devient
Soit

Si l'énergie peut être connue très précisément, la position suivant l'axe de propagation (dans l'épaisseur du détecteur) est très mal connue (contrairement à la position en horizontale et verticale sur le capteur...).

m@ch3

c'était cette equation !

[Deedee81]

c'était cette equation !

D'accord, j'avais mal compris.
Merci pour la citation.

Problème de fond maintenant :

tu pars d'une equation dans laquelle j'affirme que delta X =0 et delta p=0

Forcément. Si tu poses comme point de départ quelque chose qui est en contradiction avec la mécanique quantique, alors tu ne peux pas avoir quelque chose qui est en accord avec les raisonnements de mach3 (basés sur la mécanique quantique) ou avec l'expérience (à partir de laquelle on construit la mécanique quantique).

Ca me rappelle une bien bonne. Une démonstration que Einstein avait tort et qui commençait comme ceci (je te fais grâce de la suite) :

Premise: The wavelength is determined by the light source and cannot depend on the movements of the observer.

Concernant ton message 9, je dois avouer que je n'ai pas compris tout ce que tu dis. Sauf ceci :

j'avais interprété le principe d'incertitude plutot comme un probleme de mesure [...]

Ca, c'est facile de prouver que c'est faux. Exemple, sans principe d'incertitude, il serait impossible d'avoir des interférences de Young (on aurait une distribution gaussienne comme avec des balles de fusils qui passeraient par les deux fentes). Et il n'y a pas besoin d'observer/mesurer les électrons/photons pour avoir ces interférences. On peut même utiliser une plaque photo et la regarder bien plus tard.

D'ailleurs, le principe d'incertitude tout comme les interférences sont une conséquence du comportement ondulatoire. On a d'ailleurs un principe tout à fait semblable pour les ondes classiques, comme le son par exemple : pour un paquet d'onde, le produit de la largeur du paquet fois la largeur du spectre en longueur d'ondes (plus précisément l'écart type) est toujours supérieur ou égal à 1.
(et avec le lien longueur d'onde => impulsion d'une particule, on retrouve ce bon vieux Heisenberg).

Rien d'étrange donc. C'est de bonnes vieilles ondes.

A ta décharge l'erreur de raisonnement est facile. Et au tout début de la mécanique quantique on pensait aussi que c'était un problème de mesure. Il a fallu un certain temps pour comprendre/admettre que c'était intrinsèque à la nature des particules.

Ainsi, certains ont essayé de changer l'appellation "principe d'incertitude" en "principe d'indétermination" pour que ce soit plus clair. Mais ça se répand difficilement. Les habitudes ont la vie aussi dure qu'une peau de croco.

[mach3]

tu pars d'une equation dans laquelle j'affirme que delta X =0 et delta p=0 donc tu ne m'a rien demontré

quand on détecte un photon, il y a une incertitude sur la position de détection dans le sens de propagation reliée à l'incertitude sur l'énergie du photon (en fait sur la quantité de mouvement dans le sens de propagation, directement relié à l'énergie). Les incertitudes sur la position de détection perpendiculairement à la direction de propagation ne sont quant à elle pas reliée à l'incertitude sur l'énergie du photon. Si un photon se propage suivant z, on peut donc être très précis sur le x et le y du détecteur et avoir l'énergie aussi précisément, par contre on aura une incertitude sur le z (à quel profondeur, dans le detecteur, le photon a été absorbé). Avoir une grande précision sur x et sur y doit donner une imprécision sur la provenance du photon si je ne m'abuse.

m@ch3

[obi76]

Re,

@pascal_dal : tout le problème des écrits, difficile de savoir exactement quel sens lui donner quand plusieurs interprétations sont possibles... Bref, si ce n'était pas en ce sens (celui que j'ai interprété), tant mieux