Question sur la dualité onde / particule de la lumière

[RaviShankar]

Bonjour,

L'absorption de photons par un corps noir semble indiquer qu'ils se dirigent vers lui . Est-ce qu'il y a une opposition de sens de mouvement de la lumière dans sa "version" corpusculaire et le mouvement de propagation de la lumière dans sa version ondulatoire ?

Peut-on vérifier "le sens" de ces 2 aspects ? Peut-être qu'un des aspects est une réaction du "champ porteur" ?

Oui, je sais, au niveau quantique, il est déjà difficile de vérifier la position exacte des corps. Alors, discuter sur le sens de leur mouvement est assez rébarbatif ..

[ThM55]

Je ne suis pas sûr d'avoir bien compris la question, mais si c'est ce que je crois comprendre, la réponse est que la direction de propagation de l'onde coïncide effectivement, en général, avec celle de la particule. Je dis en général car il y a des exemples où c'est moins clair (par exemple une onde sphérique ou dipolaire).

[Deedee81]

Salut,

Je pense qu'il faut oublier cette dualité onde-corpuscule qui est avant tout un point de vue philosophique (le principe de complémentarité de Bohr).

On a soit une description classique qui est :
- ondulatoire pour le photon (les ondes électromagnétiques)
- corpusculaire pour des corpuscules comme les atomes, les électrons

Soit une description quantique ou les champs sont quantifiés : le champ électromagnétique pour le photon, le champ de Dirac pour l'électron, etc.
Peu importe ce que signifie quantifié à ce stade (c'est assez technique il faut dire et pas trivial à vulgariser).

Ce qui compte est que :
- il ne faut pas mélanger les deux. Soit on est dans le monde quantique, soit on est dans le monde classique (qui est une approximation du premier) mais pas les deux à la fois (tout comme on ne mélange pas la gravité newtonienne et la relativité générale !)
- Au niveau quantique le comportement est essentiellement ondulatoire mais avec des aspects qui n'ont aucun équivalent classique. C'est un peu plus compliqué. En particulier le fait que l'interaction est toujours ponctuelles (en fait c'est un peu plus compliqué que ça aussi, et moins "bizarre" qu'il n'y parait, mais évidemment quand on voit deux vagues interagir et deux électrons se percuter, la différence est nette).

C'est cet aspect "onde pas classique" qui a poussé Bohr a pondre l'interprétation de Copenhague et la dualité onde-corpuscule (qu'il a considéré comme pas tout à fait juste d'ailleurs et remplacé par une dualité cinématique-dynamique, ce qui s'est un peu perdu dans les limbes de l'histoire). Mais cela se comprend, à l'époque ils ne connaissaient que la physique classique et il fallait bien partir de quelque part.

De même l'idée d'une onde porteuse initiée par de Broglie n'est pas nécessaire (même si elle a donné une interprétation intéressante avec Bohm). Elle aussi essayait juste de faire ce lien entre "je connais le monde classique" <-> "j'essaie d'expliquer le monde quantique", à travers les relations comme E=h.nu et la relation de de Broglie (tout ça étant lié à la quantification et au "petit coté pas classique" des ondes/particules quantiques). Donc à oublier aussi. Laissons les oripeaux du passés où ils sont et endossons nos beaux costumes modernes

Ceci étant dit, si on a un photon seul qui se balade sans interagir avec quoi que ce soit, alors sa description est un état de l'espace de Fock qui est équivalent (pas identique) à une onde électromagnétique. (les différences apparaissent dès qu'il y a interaction et encore pire quand il y a plusieurs photons !)

On peut donc avoir par exemple un petit paquet d'ondes qui se dirige vers le corps noir. Ou une onde sphérique. Mais même dans ce dernier cas, lorsqu'il y a interaction (là le coté "pas classique" pointe le bout de son museau), c'est à un endroit précis (décrit par ces bonnes vieilles probabilités) et a donc une certaine chance d'interagir avec le corps noir.

On peut donc avoir des états quantiques correspondant à une direction assez précise (qu'on utilise le vecteur quantité de mouvement ou le vecteur nombre d'ondes) ou .... pas. Comme pour n'importe quelles ondes d'ailleurs.

Il existe un opérateur quantité de mouvement, notons le P, et un état quantique donné pour la particule, notons là |Psi> (je préfère ça à la position car dans le cas du photon à cause de complications relativistes l'opérateur position n'existe pas). Si la particule a une direction (et une énergie) très précise, alors : P|Psi> = p|Psi> ou p est le vecteur quantité de mouvement. Mais si l'état est disons une onde sphérique, alors non, on aura P|Psi> = p1|P1> + p2|P2> + ... (en fait plutôt une intégrale qu'une somme) pour toutes les directions possibles. En fait c'est facile à visualiser avec les ondes (malheureusement comme c'est des ondes "pas classiques" ça reste limité, dommage, on pourrait employer juste la physique ondulatoire qui n'est pas simple mais est quand même moins compliquée que la physique classique, mais bon, le monde est comme il est, faut faire avec)

Notons que la direction ne saurait pas être infiniment précise. Plus généralement, pour un paquet d'ondes, une relation bien connue (venant de la théorie de Fourier) dit que la largeur du paquet d'onde Dx et l'incertitude sur sa longueur d'onde (qu'on peut définit précisément) DL obéissent à Dx*DL>1. Et en utilisant la relation de de Broglie.... on retrouve la relation d'indétermination de Heisenberg. Qui n'a donc rien de si mystérieuse en fin de compte

[RaviShankar]

Il va me falloir du temps pour comprendre tout ce que dit Deedee81 ! Merci pour vos réponses.

Je me doutais qu'il y aurait une composante "description des faits" à ne pas négliger, indépendamment des faits eux-mêmes.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Il va me falloir du temps pour comprendre tout ce que dit Deedee81 ! Merci pour vos réponses.

J'ai fortement vulgarisé. Donc si tu as des questions plus précises, n'hésite pas.