Voici un des faits les plus étonnants de la physique :
absolument tout dans l'univers, de la lumière aux électrons et aux atomes
se comporte à la fois comme une onde et une particule simultanément.
Et tous ces trucs étranges que vous avez pu entendre sur la physique quantique :
le chat de Schrödinger,
Dieu qui joue aux dés,
l'action fantôme à distance,
tout découle directement du fait
que tout a, en même temps, une nature d'onde et de particule.
Cela peut paraître fou. Si vous ouvrez l’œil, vous verrez
des ondes dans l'eau et des particules de roches,
elles n'ont rien en commun.
Alors, pourquoi penseriez-vous à les combiner ?
Les physiciens n'ont pas décidé de réunir ces choses du jour au lendemain.
Ils ont plutôt été conduits à la nature duale de l'univers
par un long processus de petits pas,
assemblant minutieusement les éléments de preuve, comme les pièces d'un puzzle.
La première personne à vraiment envisager la double nature de la lumière
fut Albert Einstein en 1905,
mais il suivait une idée plus ancienne de Max Planck.
Planck a expliqué les couleurs de la lumière émise par des objets chauds,
comme le filament d'une ampoule,
mais pour se faire, il eut recours à un stratagème désespéré :
il déclara que l'objet était constitué d'oscillateurs
pouvant émettre de la lumière en quantités discrètes (quanta),
petites unités d'énergies dépendant de la fréquence de la lumière.
Planck ne fut jamais complètement satisfait par cette idée
mais Einstein s'en est saisi et l'a développée.
Il appliqua l'idée de Planck à la lumière elle-même,
déclarant que la lumière,
que tout le monde considérait comme une onde,
est un flux de photons,
chacun avec sa propre quantité d'énergie.
Einstein lui-même considérait cela
comme la seule chose vraiment révolutionnaire qu'il ait faite,
et cela explique comment la lumière frappant une surface métallique
lui fait perdre des électrons.
Même les gens qui détestaient cette idée
durent accepter qu'elle fonctionnait à merveille.
La pièce suivante du puzzle est venue de Ernest Rutherford en Angleterre.
En 1909, Ernest Marsden et Hans Geiger, qui travaillaient pour Rutherford,
ont tiré des particules alpha sur des atomes d'or
et ont été stupéfaits de constater que certains rebondissaient vers l'arrière.
Cela démontrait que la plupart de la masse de l'atome
était concentrée dans un noyau minuscule.
L'image de l'atome que vous apprenez à l'école primaire,
avec ses électrons en orbite, comme un système solaire miniature,
c'est le modèle de Rutherford.
Il y a un petit problème avec ce modèle : il ne peut pas marcher.
La physique classique nous enseigne qu'un électron
en orbite sur un cercle émet de la lumière
et nous utilisons cela tout le temps pour générer des ondes radio et des rayons X.
Les atomes de Rutherford devraient émettre des rayons X dans toutes les directions
pendant un bref instant avant de s'écraser sur le noyau.
Mais Niels Bohr, physicien théoricien danois travaillant avec Rutherford,
a souligné que, de toute évidence, les atomes existent !
Donc, Il faudrait peut-être changer les lois de la physique.
Bohr a proposé qu'un électron sur certaines orbites particulières
n'émet pas de lumière du tout.
Les atomes absorbent et émettent de la lumière
seulement lorsque les électrons changent d'orbite,
et la fréquence de la lumière dépend de la différence d'énergie
de la même façon que Planck et Einstein ont introduit le concept.
Le modèle de Bohr corrige le problème de Rutherford
et explique pourquoi les atomes émettent seulement
des couleurs très spécifiques de la lumière.
Chaque élément a ses propres orbites particulières
et donc un ensemble de fréquences qui lui est propre.
Le modèle de Bohr a un petit problème :
il n'y a aucune raison de favoriser ces orbites plutôt que d'autres.
Mais Louis de Broglie, un doctorant français,
a réussi à boucler la boucle.
Il a souligné que si la lumière, que le monde savait être une onde,
se comporte comme une particule,
alors, peut-être que l'électron, que le monde savait être une particule,
se comporte comme une onde.
Et si les électrons sont des ondes,
il est facile d'expliquer la règle de Bohr pour choisir des orbites particulières.
Avec cette idée en tête, l'électron se comporte comme une onde,
vous pouvez aller à sa recherche.
Et en quelques années, des scientifiques aux USA et au Royaume-Uni
ont observé le comportement ondulatoire des électrons.
De nos jours, nous avons une démonstration très claire de ceci :
on bombarde des électrons un par un sur un écran percé de deux fentes.
Chaque électron est détecté à un endroit précis à un instant précis,
comme le serait une particule.
Mais quand vous répétez l’expérience un grand nombre de fois,
les électrons tracent des franges (figure d'interférence)
caractéristiques d'un comportement ondulatoire.
Cette idée de particules se comportant comme des ondes et vice versa,
est l'une des plus étranges et des plus puissantes de la physique.
Selon le mot célèbre de Richard Feynman,
ceci illustre le mystère central de la mécanique quantique.
Tout le reste en découle,
comme les pièces d'un puzzle se mettant en place.