Corpuscules, ondes, champs et particules : Différence entre versions

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En effet, dans toutes ces écoles anciennes, les atomes ne peuvent pas être découpés en parties plus petites. C'est d'ailleurs l'étymologie du mot "atome", « qui ne peut pas être coupé ».
 
En effet, dans toutes ces écoles anciennes, les atomes ne peuvent pas être découpés en parties plus petites. C'est d'ailleurs l'étymologie du mot "atome", « qui ne peut pas être coupé ».
  
Dans la théorie scientifique moderne, au contraire, non seulement ils peuvent être découpés en parties plus petites, mais de plus on le vérifier en les découpant effectivement en parties plus petites dans toutes sortes d'expériences.
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Dans la théorie scientifique moderne, au contraire, non seulement ils peuvent être découpés en parties plus petites, mais de plus on le vérifie en les découpant effectivement en parties plus petites dans toutes sortes d'expériences.
  
 
Pourquoi continuer à les appeler des «atomes», alors ?
 
Pourquoi continuer à les appeler des «atomes», alors ?

Version actuelle datée du 1 décembre 2019 à 10:27

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Série PQT : La physique quantique en touriste
     Saison 02 : Aperçus de physique quantique
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Il y a quelques mois, j'ai entendu à la radio une physicienne dont je n'ai hélas pas relevé le nom[1] déclarer quelque chose comme :

Métaphore de la «dualité onde-particule»
« À mes débuts, je réfléchissais en termes de particules. Plus tard, je ne pensais plus qu'en termes de champs quantiques. Maintenant, je crois que tout n'est qu'information. »

Il y a seulement quelques semaines, toute la presse scientifique titrait sur une découverte récente à propos de la "forme de l'électron" qui aurait été parfaitement sphérique. Chose curieuse puisque l'électron au mieux est ponctuel, donc sans forme, et qu'il n'est plus probablement même pas ponctuel, donc sans véritable forme propre. Ce qui était mesuré comme étant parfaitement sphérique, la publication des chercheurs le disait clairement, ce n'était pas la forme de l'électron mais la symétrie de son champ électrique.

Et voici un lien vers une conférence dans d'Étienne Klein dans laquelle il raconte comme il s'était réjoui d'apprendre que les rudiments de la quantique venaient de faire leur entrée dans certaines classes prépas, avant de déchanter en découvrant qu'on parlait encore dans les programmes officiels de «dualité onde-corpuscule», comme si la recherche s'était arrêtée avec Louis de Broglie en 1923. À la décharge de l'Éducation nationale française, on peut relever que l'expression «dualité onde-corpuscule» est toujours très présente dans la littérature, même si tous les chercheurs conviennent désormais qu'il ne s'agit que d'une métaphore et qu'il n'y a en fait pas de corpuscule et pas non plus d'onde au sens habituel du mot.

Que penser de tout cela ?

Comment conceptualiser l'abstraction en physique ?

Il n'y a pas que les vulgarisateurs qui rencontrent des difficultés pour exprimer par des images les abstractions mathématiques que nous avons vues à l'épisode précédent. Un chercheur du CERN relevait récemment que lui-même, comme la plupart de ses collègues, lorsqu'il pensait à un proton en train de circuler dans le LHC ne pouvait pas s'empêcher de l'imaginer comme une sorte de petite boule microscopique.

Comme le dit Leonard Susskind, et comme le disait avant lui Niels Bohr[2], 3 millions d'années d'évolution du cerveau humain, et beaucoup plus si on tient compte de nos plus lointains ancêtres, nous ont préparés à penser le monde en termes d'objets massifs dotés d'une forme et d'une position, pas en termes d'abstractions mathématiques.

Les corpuscules

Modèle de Bohr, 1913

C'est avec John Dalton, physicien et chimiste anglais, que la théorie atomiste moderne voit le jour dans les années 1800.

Bien sûr, depuis l'antiquité, des idées du même genre avaient vu le jour. Mais au cours du siècle suivant, et surtout au début du 20ème siècle, on va s'apercevoir que les atomes de la science moderne n'ont pas grand chose à voir avec ceux de Démocrite ni avec ceux des anciens sages hindous ou bouddhistes.

En effet, dans toutes ces écoles anciennes, les atomes ne peuvent pas être découpés en parties plus petites. C'est d'ailleurs l'étymologie du mot "atome", « qui ne peut pas être coupé ».

Dans la théorie scientifique moderne, au contraire, non seulement ils peuvent être découpés en parties plus petites, mais de plus on le vérifie en les découpant effectivement en parties plus petites dans toutes sortes d'expériences.

Pourquoi continuer à les appeler des «atomes», alors ?

Prenons l'exemple d'un atome de Radium, le métal découvert par Pierre et Marie Curie en 1898. Pas besoin de faire des efforts pour le découper, il peut se diviser spontanément. Mais les deux morceaux qui résultent de cette division ne sont plus du Radium. Ce sont d'un côté un atome de Radon, qui est un gaz et de l'autre un atome d'Hélium, un autre gaz[3].

Dans la théorie atomiste moderne, un atome peut donc encore être coupé. En revanche, un atome, c'est la plus petite quantité possible d'un élément chimique. On peut le couper, mais si on le fait, les morceaux ne sont plus cet élément chimique.

Tout ça colle très bien avec la mécanique quantique, dans laquelle on observe qu'il y a aussi de plus petites quantités possibles de toutes sortes de choses. On ne peut pas voir moins de lumière bleue, par exemple, que la quantité de lumière bleue qui correspond à un photon de lumière bleue. On ne peut pas avoir moins d'électricité que la quantité d'électricité qui est contenue dans un électron. On ne peut pas avoir moins d'«aimantation» que celle qui est portée par un électron[4], etc.

Est-ce à dire que la matière est composée de corpuscules, c'est à dire de petits objets microscopiques semblables à des petites billes, ayant à chaque instant une certaine forme, une certaine position et une certaine vitesse ? C'est ce que la plupart des scientifiques pensaient à l'époque de ce que les anglophones appellent la «première théorie quantique»[5], c'est à dire en gros de 1900 à 1925.

Mais comme nous l'avons vu dans les épisodes précédents, et comme nous l'approfondirons dans les saisons suivantes, il a fallu renoncer à cette idée. Les électrons, par exemple n'ont pas en général de positions précises. Du coup, les atomes n'ont pas non plus de positions précises, même si, étant plus gros, ils se comportent de manière plus ordinaire. Comme le disait Feynman avec son humour habituel: «Vous êtes toujours libres de penser aux particules élémentaires comme si elles étaient des sortes de petites billes, mais à condition de n'en tirer absolument aucune déduction». Autant abandonner l'idée.

Pas complètement toutefois. Les particules élémentaires gardent ceci de commun avec les corpuscules que lorsqu'elles interagissent avec leur environnement, elles le font toujours à un endroit très précis et à un moment très précis[6].

Les ondes

Représentation d'un paquet d'onde

L'autre analogie fréquente, qui vient elle aussi de l'histoire des sciences, consiste à considérer les particules élémentaires comme des ondes.

Sauf qu'on parle alors d'ondes de quoi ?

Lorsqu'on parle d'ondes, normalement, on imagine des vagues à la surface de l'eau. Ou si on a fait un peu plus de physique, on pense à des ondes sonores, qui sont des vibrations de l'air. Ou encore, en géophysique, à des ondes sismiques, qui correspondent à des vibrations du sol.

Mais dans le cas de l'effet tunnel que nous avons étudié dans l'épisode précédent, où sont ces vibrations ? Comme le dit Susskind dans son ouvrage de vulgarisation de la mécanique quantique, dans ce que la physique quantique appelle des «fonctions d'onde», il n'y a le plus souvent pas d'ondes du tout[7]. Sauf dans quelques cas particuliers, les ondes dont on parle en mécanique quantique correspondent à des vibrations abstraites de vecteurs abstraits dans des espaces mathématiques abstraits. Pour être plus précis, elles correspondent en général à l'évolution des petits nombres que nous avons vus dans l'épisode précédents coincés entre le nombre "e" et le nombre "pi".

Il se trouve qu'on utilise le même genre de mathématiques, avec des petits "e" et des petits "hippies" i pi, lorsqu'on calcule la propagation des ondes sonores ou celle des vagues.

Donc, à la suite de Susskind et pour paraphraser Feynman, on peut dire qu'il n'y a pas plus d'ondes (au sens classique) que de corpuscules.

Et du coup, comme le recommande parmi d'autres Etienne Klein, on devrait sans doute aussi abandonner la métaphore de la «dualité onde-corpuscules» qui date de Louis de Broglie. Elle fut utile en son temps, mais de nos jours, elle induit plus d'erreurs qu'elle ne permet de mieux comprendre les phénomènes.

Cependant, il reste vrai que les mathématiques qui permettent de calculer des probabilités quantiques ressemblent beaucoup à celles qui permettent de calculer la propagation des ondes.

Les champs

Représentation simplifiée d'oscillations d'un champ

Le concept de "champ" doit beaucoup au physicien britannique Maxwell et à ses travaux sur l'électromagnétisme. Mais qu'est-ce qu'un champ?

Prenons quelques exemples que tout le monde connaît.

En météo, on parle souvent de «champs de pression». Qu'est ce que ça veut dire? Ca signifie qu'à chaque point de la carte de France, on associe une certaine quantité, qui est la pression atmosphérique mesurée à cette endroit.

Mais quelle est la réalité d'un tel champ ? Regardons les choses de plus près.

Y-a-t-il vraiment une certaine pression en chaque point de la carte ?

Évidemment non! On reporte sur la carte des mesures qui ont été réalisées sur le terrain. La pression atmosphérique en chaque point de la carte est très exactement celle qui règne dans le studio où se trouve cette carte, pour autant encore qu'il s'agisse d'une vraie carte et pas d'une image informatique.

C'est tout ?

Non. Sur le terrain on ne mesure pas la pression atmosphérique partout. On la mesure à certains endroits, puis on corrige les données pour «faire comme si» on l'avait mesurée partout.

Au total, le «champ de pression» n'est pas une réalité physique. C'est une abstraction mathématique qui permet de faire des calculs.

Il existe d'autres sortes de champs en météo, comme par exemple ceux qui représentent les vents. La aussi et pour les mêmes raisons, il s'agit en fait d'abstractions mathématiques.

Que dire des «champs magnétiques» que nous avons tous expérimentés en jouant avec les aimants ?

Qui a déjà vu un champ magnétique ? Personne.

Qui a déjà touché ou entendu un champ magnétique ? Personne.

Où se trouvent les bords, les limites qui définissent la forme d'un champ magnétique ? Il n'y en a pas, les champs s'étendent à l'infini. En un certain sens, on peut donc estimer qu'il n'existe finalement qu'un seul et unique champ magnétique dans tout l'Univers et qu'on ne peut connaître que son intensité et sa direction à un endroit donné à un moment donné.

C'est bien là tout le mystère des champs magnétiques. Ils semblent bien exister car il y a bien quelque chose qui repousse ou attire les aimants, mais c'est comme si ce quelque chose n'existait que lorsque j'approche vraiment un aimant. Nous pourrions philosopher longuement sur ce que peut signifier «exister» pour un champ, mais nous ne le ferons pas ici. Quoi qu'il en soit, si les champs existent, ils n'existent pas de la même manière que les objets.

Au point que certains physiciens ne se posent même plus ce genre de question. Le concept de champ est un concept mathématique abstrait, qui leur permet de calculer avec beaucoup de précision le comportement des objets matériels, et ça suffit amplement à leur bonheur.

Copenhague et le réel

Tout ceci nous amène à ce qui rend la théorie quantique si populaire dans des domaines qui ne sont pourtant pas en prise directe avec la physique mais qui relèvent bien plus de la philosophie et de la métaphysique. La question est la suivante: «Qu'est-ce que la réalité ?»

Bien sûr, nous n'allons pas trancher dans cette série d'articles un débat philosophique vieux de plusieurs millénaires. Mais nous pouvons en revanche constater que la physique quantique nous y renvoie avec force et vigueur, avec toute une série de questions sans réponses jusqu'à présent:

Niels Bohr
  • Comment penser les phénomènes qui se produisent à l'échelle sub-atomique ?
  • Comment penser les "particules élémentaires" ?
  • Que font ces "particules élémentaires" lorsqu'elles n'interagissent avec rien ?
  • Existent-elles encore, ou n'existent-elles qu'au moment où elles interagissent avec leur environnement ?
  • Et plus généralement, quelle degré de réalité pouvons-nous attribuer à des entités que nous ne pourrons jamais observer et dont nous ne pourrons jamais observer les effets ?

À toutes ces questions, différents courants de pensée répondent différemment, et cela depuis des siècles. La physique, elle, n'y répond pas, du moins jusqu'à présent.

La plupart des physiciens, à l'heure actuelle, se contentent de l'approche prudente qu'on appelle habituellement «école de Copenhague». Elle consiste (en caricaturant un peu) à se contenter de calculer ce que fait la nature sans chercher à décrire un «réel» qui se cacherait au-delà de toute possibilité d'observation.

Mais d'autres interprétations et d'autres conceptions philosophiques existent. Le débat est très loin d'être tranché, et il risque de continuer pendant encore quelques siècles. Vous trouverez dans les liens externes de cet article de nombreuses pistes de recherche pour approfondir ces questions si vous le souhaitez.

Mais ces questions métaphysiques que la physique ne résout pas ne doivent pas occulter pour autant l'immense succès qui a été celui de la physique du 20ème siècle. En effet:

  1. La physique n'a jamais, dans toute l'histoire de l'Humanité, atteint un tel niveau de réussite qu'en ce qui concerne la prédiction du comportement des systèmes physiques. Nous ne savons pas dire avec certitude de quelle substance sont faites les particules élémentaires, et certains scientifiques commencent même à penser qu'elles ne sont au font que des nombres, ou de l'information pure. Nous sommes tout aussi incapables de prévoir à l'avance leur comportement individuel. Mais la science est en revanche capable de prévoir leur comportement statistique avec une précision de plus de 13 décimales.
  2. La science ne sait pas encore ce que sont vraiment les particules élémentaires, mais elle sait en revanche très bien ce qu'elles ne sont pas. Elles ne sont ni des corpuscules, ni non plus des ondes[8]. Lorsqu'on emploie des mots comme "corpuscules" ou "ondes", ce ne sont que des métaphores qui s'appuient sur des phénomènes qui se produisent à notre échelle. Comme les corpuscules, lorsqu'elles se manifestent, c'est toujours à un instant donné à un endroit donné. Et comme les ondes, entre deux interactions avec leur environnement, elles sont décrites mathématiquement par des combinaisons de nombres complexes dans des espaces abstraits.

Le principe holographique

Gerard 't Hooft

Pour terminer cet article, je voudrais attirer rapidement votre attention sur un sujet un peu à la mode en ce moment, à savoir le principe holographique.

Nous avons vu que si nous ne savons pas dire de quelle "substance" sont faites les particules élémentaires, nous avons des mathématiques qui décrivent extrêmement bien leur comportement. De là à imaginer qu'au fond il n'est pas nécessaire d'aller plus loin et que le monde sub-atomique serait constitué de nombre complexes et de structures mathématiques abstraites, il n'y a qu'un pas que de plus en plus de physiciens franchissent.

Le «principe holographique» est au nombre de ces recherches récentes. Il s'agit d'une métaphore pour exprimer une théorie dans laquelle l'Univers à trois dimensions, tel que nous le percevons au quotidien, ne serait finalement qu'une illusion. La réalité ultime serait, selon cette hypothèse, une immense quantité d'informations abstraites à la surface de la frontière externe de notre univers.

Attention toutefois. La mode qui entoure les recherches autour du principe holographique amène beaucoup d'auteurs non physiciens à s'autoproclamer savants dans ce domaine. La vérité est très différente. Il s'agit d'une conjecture spéculative d'un très haut niveau d'abstraction mathématique et bien rares sont ceux qui sont capables d'y travailler. Quiconque prétendrait faire des recherches dans ce domaine sans dominer au préalable la théorie des cordes dans toute sa complexité ne peut que bluffer.

Toutes les autres hypothèses qui prétendent partir du même principe ne doivent être prises que pour ce qu'elles sont: Des hypothèses métaphysiques ou religieuses souvent audacieuses et originales, mais qui n'ont strictement aucun rapport avec le principe holographique de la théorie des cordes.

Bien sûr, il n'y a aucun droit d'auteur sur les métaphores et chacun de nous a parfaitement le droit d'inventer ses propres métaphores à partir des hologrammes et de l'Univers. Mais le principe holographique proposé par Gerard 't Hooft puis développé par Leonard Susskind n'a strictement rien à voir avec ça.

Pour aller plus loin

En anglais:

Notes et références

  1. Je crois que c'était sur France Culture début 2019. Si quelqu'un sait, merci de m'envoyer l'info.
  2. D'une manière un peu différente.
  3. Si on étudie la radioactivité de plus près, on s'aperçoit vite qu'il existe plusieurs sortes de Radium et que sa désintégration se produit d'une manière plus complexe et ne s'arrête pas là. Mais l'idée centrale, à savoir que les deux parties issues de la division du Radium ne sont plus du Radium, est exacte.
  4. Là aussi, il y a quelques subtilités, mais qui ne retirent rien à l'idée générale.
  5. Old quantum theory sur Wikipédia
  6. Pour ceux de nos amis touristes qui auraient déjà étudié un peu la relativité, je veux dire à un moment très précis dans un référentiel donné. Il se peut que ce soit un moment différent dans un autre référentiel, mais ça restera quand même un moment précis.
  7. Quantum Mechanics, L. Susskind & A. Friedman, Basic Books, 2014, 978-0-465-06290-4, p. 235-236
  8. Si on veut être tout à fait complets, un petit nombre de physiciens, à la suite de David Bohm (1917-1992) continuent de penser que les particules élémentaires pourraient être des corpuscules guidés par des ondes, mais même dans ce cas, il s'agirait d'ondes très abstraites et extrêmement différentes de celles que nous observons à notre échelle.



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