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Dans notre dernier article, il avait été question d'un certain boson, qui ne serait pas un boson de jauge, c'est-à-dire qui ne serait pas vecteur d'une interaction fondamentale : le boson de Higgs. Eh bien manque de bol, ce n'est toujours pas dans cet article qu'il en sera question⁽¹⁾ ! Ne vous inquiétez pas (ou si ?), le temps viendra, mais avant cela il faut discuter d'une notion assez perturbante de la physique des particules, qu'on appelle la dualité onde-corpuscule.

Le terme est assez obscur à première vue, alors tentons d'examiner cela de plus près. Sans rentrer dans les détails, il faut savoir que les particules ne peuvent, de par leur taille (très petite) et leur vitesse (très grande), être complètement localisées. On ne peut pas situer ces particules, mais uniquement donner la probabilité qu'elle se trouve en tel ou tel point : on parle de probabilité de présence.

C'est pourquoi, par exemple, le modèle de l'atome avec les électrons qui tournent autour est fausse : comme on ne peut pas localiser les électrons, on ne peut pas dire qu'ils tournent autour du noyau de l'atome. En fait, les électrons ont une probabilité de présence assez élevée autour du noyau (donc a priori ils n'en sont pas loin), mais leur mouvement comme leur position exacte est inconnue.

Il en est de même pour toutes les autres particules, fermions ou bosons. La dualité onde-corpuscule⁽²⁾ est la conséquence pour lesdites particules de ce phénomène : elles peuvent se comporter comme des particules (ce qu'elles sont), mais aussi comme des ondes.

C'est là que le bât blesse : jusque là, les notions de corpuscule et d'onde étaient radicalement opposées. La particule est bien localisée, l'onde est délocalisée ; la particule est « dénombrable », l'onde non ; la particule se balade selon une trajectoire, l'onde se diffuse.

Et pourtant, ça marche ! Plusieurs scientifiques se sont frottés à la démonstration et à la mise en évidence de ce phénomène, mais l'expérience des fentes d'Young⁽³⁾ est une des plus démonstratives. L'idée est toute simple : on place deux fentes fines et parallèles entre elles verticalement, assez proches l'une de l'autre, puis on envoie un faisceau de particules sur ces fentes, et on place un écran capteur derrière.

Des franges d'interférence

• Si on envoie des particules, on devrait observer sur l'écran une répartition en deux lignes d'impacts de particules.
• Si on envoie des ondes, on devrait observer sur l'écran des franges, résultat des interférences.

Le résultat est sans appel : on observe sur l'écran des impacts de particules, organisés en franges comme le seraient des ondes.
Plus impressionnant : si on envoie des particules une à une (et non en faisceau), on observe le même résultat : la particule interagit avec elle-même au niveau des fentes, pour ensuite aller frapper l'écran en un seul point (comme toute particule bien éduquée se doit de le faire) !

Une petite équation pour conclure (pas compliquée, promis !), la relation de De Broglie⁽⁴⁾ : \(\lambda = \frac{h}{p}\).
On a dans la même équation :

• \(\lambda\) la longueur d'onde, qui est donc associée à une onde ;
• \(h\), la constante de Plank ;
• \(p\), la quantité de mouvement, qui est associé à une particule.

On retrouve bien ici notre notion abordée plus haut : dans le domaine de la physique quantique, onde et particule sont deux faces d'une même pièce.

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1. ⁽¹⁾ ↑ Et l'auteur de se gausser d'un rire méphitique.
2. ⁽²⁾ ↑ « Corpuscule » n'est rien de plus qu'un autre nom pour désigner les particules : vous comprenez, on ne trouvait pas ça assez compliqué, alors…
3. ⁽³⁾ ↑ Qui à l'époque avait 28 ans : plus si jeune que ça, donc, mais ça reste correct.
4. ⁽⁴⁾ ↑ Louis De Broglie, à prononcer « De Breuil »… Oui, moi aussi ça m'em-broglie, tout cet em-breuil-o…

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