19 – Singularités de l'extrêmement petit

L'image ci-dessus représente une, et une seule, particule élémentaire qui va franchir un obstacle comportant deux fentes.

Je vais vous raconter quelques-unes des bizarreries du monde de l'extrêmement petit. Ne cherchez pas à comprendre mais, comme au spectacle étonnez-vous. Sachez quand même que ces bizarreries sont à la base de toute la matière, roches, plantes, animaux dont nous-mêmes. Sachez encore que l'utilisation de ces bizarreries est à la base des instruments les plus étonnants et les plus performants de notre époque.

Je ne vous les expliquerai pas, même un petit peu, il faudrait que je vous donne des précisions plutôt complexes et qui resteraient insuffisantes. D'ailleurs Richard Feynman (1918 – 1988), l'un des plus grands physiciens de la seconde moitié du 20ème siècle, prix Nobel 1965, et un grand pédagogue, avait l'habitude de dire à la fin de son cours sur la mécanique quantique : "Si vous m'avez compris, c'est que je n'ai pas été clair !"

Richard Feynman

 

Essayons de voir quelques-unes des bizarreries de ces particules qui nous déroutent parce que n'étant visibles qu'à ces dimensions extrêmement petites, elles ne correspondent pas du tout, mais alors pas du tout, à ce que nous sommes habitués de voir. De ce fait elles heurtent notre façon de penser et notre intuition de la réalité.

Déjà nous ne sommes pas vraiment capables d'imaginer ce que peut être un objet qui est à la fois un corpuscule ET une onde. C'est à dire quelque chose qui serait à la fois solide et non-solide ! (voir note 1 en bas de page)

Je vous rappelle que deux corpuscules ne peuvent pas s'associer pour former un corpuscule entièrement nouveau, différent de la somme des deux premiers mais que, dans le même temps deux ondes peuvent s'associer pour former un système entièrement nouveau.

Pour tenter de visualiser l'extraordinaire particularité des particules-ondes, que ce soit le photon, l'électron ou le proton, je vais vous raconter une expérience déroutante que l'on fait avec.

C'est "l'expérience des fentes de Young".

Prenez un canon à lancer des balles, comme peuvent s'en servir les joueurs de tennis pour s'entraîner. Devant le canon placez un obstacle comportant une fente qui permet de laisser passer les balles et un peu plus loin mettons un mur sur lequel les balles vont rebondir en laissant une trace.

Mettons le canon à lancer en route. Les balles qui passent à travers la fente laissent une trace sur le mur. Lançons des dizaines de balles. Les traces laissées sur le mur vont ressembler à ceci.

Maintenant remplaçons l'obstacle qui comporte une fente par le même genre d'obstacle, mais qui comporte deux fentes.

Lançons à nouveau des balles. Cette fois celles-ci passent soit par la fente de droite, soit par la fente de gauche. Elles vont alors laisser des traces qui, logiquement, vont ressembler à ceci.

Maintenant recommençons l'expérience, mais cette fois au lieu de lancer des balles, projetons de l'eau ou, plus précisément, faisons avancer des vagues vers la fente.

Cette fois la trace laissée par l'eau sur le mur va ressembler à ceci, où la trace laissée sur le mur est située juste en face de la fente.

Elle ressemble quelque peu aux traces laissées par les balles. Continuons l'expérience. Vous le devinez nous allons remettre la plaque avec les deux fentes.

Voyons maintenant quelles traces l'eau – une onde – laisse lorsqu'elle passe à travers deux fentes,

Cela est dû au fait que à l'endroit où deux ondes se chevauchent, elles laissent une trace plus marquée, elles s'additionnent, tandis que, à l'inverse, là où elles s'éliminent, elles ne laissent pas de trace, ce que montre bien l'image du milieu.

Maintenant recommençons l'expérience mais cette fois avec des particules. Les physiciens ont fait l'expérience avec des électrons. Regardez la magie s'opérer en regardant la vidéo ci-dessous.

(au cas où vous auriez une difficulté pour voir la vidéo, cliquer ici)

N'est-ce pas extraordinaire ? Il y a deux choses remarquables à retenir.

Une particule élémentaire, c'est à dire à l'échelle la plus petite possible, que ce soit un électron, un photon ou un proton, se comporte à la fois comme un corpuscule de matière et à la fois comme une onde, deux choses qui, je vous le rappelle, sont totalement antagonistes.

La deuxième chose à retenir nous paraît pour le moins aussi extraordinaire. Selon qu'on l'observe ou pas, l'électron (ou le photon ou le proton, ou n'importe quelle "particule" élémentaire) ne se comporte pas de la même façon !

Bien sûr nous ne remarquons jamais cela à notre échelle.

Cela a une autre conséquence tout aussi importante. Si on ne l'observe pas, on ne peut pas savoir si l'électron est passé par la fente de droite ou bien par celle de gauche, donc on ne peut pas connaître avec précision sa position. Lorsqu'on a lancé suffisamment d'électrons, la seule chose que l'on puisse faire ce sont des calculs statistiques qui nous permettent de connaître la probabilité qu'un électron soit à tel ou tel endroit : une probabilité. Ceci est une règle très importante de la mécanique quantique. On ne connaît jamais précisément une position, mais on connaît précisément la probabilité de telle ou telle position.

La contrepartie de cela, c'est que si l'on veut connaître précisément sa position, il faut l'observer. On a vu alors que cela modifiait son comportement. Comment ? Étienne Klein dans son livre "Petit voyage dans le monde des quanta" (page 48), fait une analogie.

"Ainsi les vagues dans l'océan ne sont-elles pas affectées par la présence d'un nageur, car celui-ci est en général petit par rapport à la distance séparant deux vagues successives (leur longueur d'onde). En revanche, elles [les vagues] sont perturbées par la présence d'un paquebot, capable, lui, de modifier localement leur configuration."

Pour observer une particule, il faut l'éclairer. Donc plus la particule que nous observons est petite, ce qui est le cas d'un électron, plus la lumière qui l'éclaire devra avoir une petite longueur d'onde. Sinon la lumière ne la verra pas. C'est une loi de l'optique. Or, d'après une autre loi de l'optique, plus une longueur d'onde est courte plus elle a d'énergie. Donc quand la lumière, de petite longueur d'onde mais de grande énergie, va heurter l'électron afin de le voir (voir note 2  en bas de page), elle va donner à celui-ci une forte impulsion qui va le perturber ! Et donc modifier son mouvement, donc sa vitesse. De ce fait nous ne connaîtrons pas précisément sa vitesse.

De ces deux conséquences ci-dessus, il en résulte une nouvelle règle de la mécanique quantique, on ne peut jamais connaître précisément en même temps la position ET la vitesse d'une particule élémentaire.

Je vais juste vous citer une autre petite particularité des particules élémentaires, mais qui n'est pas la moindre. Lorsque l'on projette des particules sur une barrière, à son échelle microscopique bien sûr, la plupart des particules rebondissent sur cette barrière mais certaines d'entre elles la traversent comme si elles avaient créé un tunnel dans la barrière ! Pour cette raison on appelle cela "l'effet tunnel". L'explication est connue, mais elle fait appel à des notions particulièrement complexes, aussi je ne vous les rapporterai pas. Par contre les ingénieurs ont profité de cette particularité pour mettre au point le microscope à effet tunnel, un microscope qui est capable de "voir" les atomes, et qui rend de très nombreux services en sciences. Cet effet explique aussi la radioactivité.

 

Résumons.

• Une particule n'est ni un corpuscule, ni une onde mais elle est les deux à la fois.

• Selon qu'on l'observe ou pas, une particule ne se comporte pas de la même façon.

• On ne peut jamais connaître précisément la position ET la vitesse (le mouvement) d'une particule.

• Une particule peut parfois traverser un obstacle.

 

Cette vidéo vous explique en 2 mn 13 l'effet tunnel, la radioactivité et vous parle du microscope à effet tunnel. (au cas où vous auriez une difficulté pour voir la vidéo, cliquer ici)

Cette vidéo vous montre en 43 secondes comment fonctionne un microscope à effet tunnel ; pour mieux comprendre le fonctionnement de ce microscope, il est préférable de lire le texte, donc de la regarder en grand

(au cas où vous auriez une difficulté pour voir la vidéo, cliquer ici) 

 

Dans le livre cité plus haut, E. Klein évoque (page 63) "Les aventures de Monsieur Tompkins", une série d'articles rédigés par le grand physicien américain George Gamow, qui raconte les aventures d'un modeste employé de banque qui s'endort et se retrouve dans un monde où les constantes de la physique quantique (les limites de Planck – voir ma note 18) sont tellement modifiées que les particularités du monde quantique sont parfaitement visibles dans ce monde. Ainsi l'effet tunnel, entre autres, devient tout à fait visible. Reconnaissez que dans ce cas, on peut difficilement rester tranquille chez soi lorsque l'on a des voisins !

 

La semaine prochaine nous verrons d'autres particularités des particules élémentaires qui n'ont pas fini de nous surprendre et qui nous posent des questions sur ce qu'est la réalité de notre monde.

 

Note 1 : dans ma note précédente, j'avais inventé un mot pour nommer ces particules : "onduscule". Eh bien figurez-vous qu'un grand astrophysicien anglais du début du 20ème siècle, Arthur Eddington, avait proposé qu'on les appelle "ondicule".

Note 2 : pour voir quelque chose, il faut que la lumière heurte ce quelque chose, et ce quelque chose va renvoyer le rayon lumineux vers notre œil. Notre œil est un récepteur de rayon lumineux. Bien sûr, à notre échelle cela n'a aucune conséquence sur la chose observée.

 

Sources :

La vidéo de l'expérience des fentes : https://www.youtube.com/watch?v=S-2h98jeKg4

La vidéo de l'effet tunnel est tirée de la vidéo de "Science étonnante" :

https://www.youtube.com/watch?v=Rj3jTw2DxXQ

Le microscope à effet tunnel : https://www.youtube.com/watch?v=DC0U5viudt0

 

À bientôt .