Ondes et Particules : Le mystère au cœur de la mécanique quantique - Chad Orzel

Leçon complète: http://ed.ted.com/lessons/particles-and-waves-the-central-mystery-of-quantum-mechanics-chad-orzel

Un des faits les plus étonnants de la physique est que tout dans l'univers, de la lumière aux électrons et aux atomes, se comporte à la fois comme une onde et une particule simultanément. Mais comment les physiciens sont-ils arrivés à cette conclusion ahurissante ? Tchad Orzel raconte la succession de scientifiques qui ont construit sur les découvertes des précédents pour arriver à ce « mystère » au cœur de la mécanique quantique.

Leçon de Chad Orzel, animation de Joana Bartolomeu.

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.