La
dualité onde-particule
Avant de
présenter un aspect plutôt mystérieux de la physique, le paradoxe EPR, revenons sur l’un des aspects
fondamentaux de la mécanique quantique : la dualité onde-particule.
La lumière est
bien connue pour présenter deux aspects complémentaires selon la façon dont on
l’étudie. La lumière est à la fois un phénomène ondulatoire, d’où le concept de longueur
d’onde, et un phénomène corpusculaire, comme en témoignent les photons. Mais d’après la mécanique
quantique, cette complémentarité des deux aspects ne concerne pas que la
lumière, elle s’applique également aux particules.
L’aspect
ondulatoire des particules
Les électrons,
par exemple, sont généralement présentés comme de minuscules petites billes qui
tournent autour d’un noyau. Pourtant ils peuvent selon les circonstances se
comporter comme des ondes. Ainsi, lorsqu’ils sont projetés sur un cristal, les
électrons donnent lieu à un phénomène de diffraction. Il s’agit là d’un
processus purement ondulatoire qui prouve que les électrons ne peuvent pas
simplement être considérés comme de minuscules billes. En fait, comme la
lumière, la matière doit être décrite en utilisant simultanément les concepts
d’onde et de particule, ce que l’on résume par le terme de dualité
onde-particule.
Cette dualité
change complètement notre vision du monde microscopique. Contrairement à une
particule au sens classique du terme, une onde n’est pas localisée dans
l’espace, elle n’a pas de position précise. Ainsi, dès que nous cessons de
l’observer, un électron développe son aspect ondulatoire et ne possède plus de
position précise. Il nous est alors impossible de prédire avec certitude où la
particule se trouvera la prochaine fois que nous l’observerons. Le déterminisme
qui dominait la physique classique disparaît totalement en mécanique quantique.
Une description
probabiliste
Cela ne veut pas
dire que le physicien est complètement démuni. En fait, la mécanique quantique
permet de donner une description probabiliste de la position de l’électron. Il
est en effet possible de calculer la probabilité de trouver l’électron à un
endroit donné. L’onde associée à la particule n’est pas tangible comme les
ondes sonores ou les vagues, il s’agit plutôt d’une onde porteuse d’information
sur la probabilité de trouver l’électron en un point donné. Ainsi, la particule
a une forte probabilité de se trouver dans les zones de grande amplitude de
l’onde, mais très peu de chances d’apparaître en des points où cette amplitude
est faible.
Le déterminisme
de la mécanique classique est donc remplacé par une description statistique. Il
n’est plus envisageable de prédire avec exactitude la position d’une particule,
mais il nous reste néanmoins la possibilité de décrire cette position en terme
de probabilité.
Un exemple en
astrophysique : la fusion dans les étoiles
Une preuve
astrophysique du fait que les particules se comportent comme des ondes nous est
apportée par le Soleil. L’énergie de notre étoile provient des réactions de fusion qui
se déroulent en son sein. Mais la fusion de deux protons est un processus très
difficile. Les protons ont tous la même charge électrique et une très vive
force de répulsion les empêche de se rapprocher. Il se trouve que l’énergie des
protons au centre du Soleil est théoriquement insuffisante pour surmonter cet
obstacle et la fusion devrait donc être impossible.
Cependant,
d’après la mécanique quantique, la position d’une particule n’est pas
déterminée exactement. Même si deux protons ne peuvent théoriquement pas se
toucher du fait de leur répulsion électrique, le flou sur leur position leur
permet de le faire. Ceci arrive très rarement car la probabilité est très
faible et la fusion de deux protons est donc un phénomène peu fréquent.
Néanmoins, comme le Soleil contient une énorme quantité de protons, les
réactions nucléaires se font en grande quantité et lui permettent de briller.
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