Dualité

 

Ondes et ou Particules ?

A très petite échelle, les choses ne se comportent en rien comme ce dont vous avez une expérience directe. Elles ne se comportent pas comme des ondes, elles ne se comportent pas comme des particules, elles ne se comportent pas comme des nuages, ni comme des boules de billard, ni comme des poids sur une corde, ni comme rien que vous ayez jamais vu. Historiquement, l’électron, par exemple, fut d’abord supposé se conduire comme une particule, puis on trouva qu’il se comportait en plusieurs points comme une onde. Il ne se conduit donc réellement ni comme l’une ni comme l’autre. A l’heure actuelle, nous avons abandonné ce dilemme et nous disons : il n’est ni l’une ni l’autre. R. Feynman.

dualite

Jean-Christophe BENOIST – Métaphore du cylindre. 

Objet ayant à la fois les propriétés d’un cercle et d’un rectangle.

La vraie nature des objets quantiques a été pendant longtemps mal comprise : la preuve en est qu’on les décrit encore habituellement en invoquant « la dualité onde – corpuscule ». Il faut remarquer tout d’abord que cette formulation est au mieux ambigüe : faut-il penser un objet quantique comme étant à la fois une onde et une particule, ou parfois l’une, parfois l’autre ? Aucune de ces deux interprétations n’a en fait de sens. « onde » et « particule » ne sont pas des choses, mais des concepts, et des concepts incompatibles, qui ne peuvent pas caractériser la même entité. Il est vrai que les objets quantiques se comportent dans certains cas comme des particules et dans d’autre cas comme des ondes, mais il est encore plus vrai que dans la plupart des situations (en particulier celles que l’on peut explorer grâce aux expériences modernes et complexes), ils ne ressemblent ni à une onde, ni à une particule. J.M. Levy-Leblond.


En effet, pourquoi chercherait-on une sorte de liaison causale entre le corpuscule et l’onde s’il s’agit uniquement de deux images, de deux points de vue pris sur un phénomène complexe ? En fait, les thèses qui représentaient l’onde pilote dirigeant le corpuscule n’ont apporté que des métaphores pour traduire la simple association du corpuscule et de l’onde. Tout ce qu’on peut dire, c’est que cette association n’est ni causale, ni substantive. Le corpuscule et l’onde ne sont pas des choses liées par des mécanismes. Leur association est d’ordre mathématique ; on doit les comprendre comme des moments différents de la mathématisation de l’expérience. Le conflit est d’ailleurs atténué quand on interprète, avec les théories récentes, les ondes comme des probabilités de présence pour les corpuscules.G. Bachelard. Le nouvel esprit scientifique.

 


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier dualité).


Première partie : lumière

Consigne 1 individuel (10 minutes)

Dessiner (feuille A4) : un atome ; une lumière ; une vague ; un courant électrique ; un son.

Affichage : comparaisons et commentaires.

 

Commentaire.

Les dessins font ressortir deux modèles essentiels : la particule et l’onde. Ce sont les deux modèles de base de la physique classique. Par exemple le concours de l’académie des sciences de 1817, portant sur l’interprétation des interférences lumineuses, oppose les tenants de la théorie corpusculaire de la lumière (les héritiers de Newton) et les partisans de la théorie ondulatoire (Fresnel). Voir l’atelier « fiat lux ».

 


Consigne 2 individuel puis groupe (45 minutes)

Effet photoélectrique. Situation à traiter [situation effet photoelectrique.pdf] en utilisant le document [effet photoelectrique.pdf].

 

situation-photoelec

 hertz

Présentation des résultats par un groupe ; animation tableau pour la mise au point et magistral. Début diapo : [dualité.pptx].

 onde-photon

Complément : l’effet Compton ; diapo [compton dualité photon.pptx]

compton

[…] mais quand on a voulu étudier le choc de deux photons, l’expérience a été négative. Elle consistait dans le croisement de deux rayons lumineux ; si rares que soient les photons le long d’un rayon, on ne peut comprendre la raison qui empêche toute collision au point de croisement des deux rayons. Mais le fait est patent : on ne trouve jamais de photons projetés dans l’angle des deux rayons. Concluons donc ce point par ce thème de réflexion philosophique : on ne peut jamais manifester une composition mécanique de la lumière alors que, dans les interférences, on décèle si facilement une composition ondulatoire de la lumière.   Bachelard. Le nouvel esprit scientifique (1934).


 

Deuxième partie : matière

Consigne 1 individuel (10 minutes)

Interférences électroniques. Visionner la vidéo : [double slite.mpeg]. Que  suggèrent les résultats de l’expérience ?

Les expériences à deux fentes avec des électrons ont été réalisées à partir des années
1960. L’expérience relatée par la vidéo correspond à celle de Tonomura
(A. Tonomura, J. Endo, T. Matsuda, T. Kasawaki, H. Esawa. 1989). Les électrons sont émis puis détectés individuellement après leur, un par un successivement, à travers un dispositif électrique comparable à un système de deux fentes parallèles.

 

tonomura

http://www.hitachi.com/rd/portal/highlight/quantum/

 

Animation tableau : mise en commun et discussion.

 


Consigne 2 individuel puis groupes (45 minutes)

Situation à traiter [situation electrons.pdf] en utilisant le document [quantons.pdf].

 

electrons

quantons

Présentation des résultats par un groupe ; animation tableau pour la mise au point et magistral. Diapo : [dualité.pptx].

 

A voir également : [mecanique quantique 1 orbitales.pptx]

et [mecanique quantique 2 transitions.pptx]

et [quantification molecules]


Vidéos et audios :[Klein.mp4] ; [Haroche.mp3] ; [Feynman.mp4] ;

http://education.francetv.fr/matiere/physique-chimie/terminale/video/les-premieres-lois-de-la-physique

 

Autres documents et liens :

https://phet.colorado.edu/fr/simulation/photoelectric

[photoelectrique et compton.swf] 

[dualite.mp4] http://toutestquantique.fr/

[dualite onde particule.flv] https://www.youtube.com/watch?v=N968DgSVLkg

 


Prolongement : polémiques interprétatives

Le débat Bohr – Einstein : Einstein aurait lancé à Bohr : « Dieu ne joue pas aux dés », ce à quoi Bohr aurait répondu : « Mais qui êtes-vous, Albert Einstein, pour dire à Dieu ce qu’il doit faire ? »

 https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9bats_Bohr-Einstein

http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actu-un-debat-entre-bohr-et-einstein-enfin-tranche-33634.php

http://education.francetv.fr/matiere/physique-chimie/terminale/video/einstein-vs-bohr-deux-visions-opposees-du-monde

einstein-bohr

Niels Bohr et Albert Einstein en discussion.

 

Le chat de Shroedinger :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Chat_de_Schr%C3%B6dinger

Un chat est enfermé dans une boîte avec un flacon de gaz mortel et une source radioactive. Si un compteur Geiger détecte un certain seuil de radiations, le flacon est brisé et le chat meurt. Selon l’interprétation de Copenhague, le chat est à la fois vivant et mort. Pourtant, si nous ouvrons la boîte, nous pourrons observer que le chat est soit mort, soit vivant.

chat

https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Dhatfield

 

L’intrication quantique et les inégalités de Bel: document [alain aspect.pdf].

http://www2.cnrs.fr/sites/communique/fichier/debat.pdf

 

« Les liens entre onde et corpuscule sont assurés par le postulat suivant : la probabilité de trouver la particule en un point donné est mesurée par
l’intensité de l’onde ».
[levy leblond.pdf].


 

Documents disponibles.

Tous les documents  indiqués ci-dessous sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier dualité).

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