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Culture scientifique

La dualité onde-corpuscule

Philippe Ribiere, professeur en CPGE, nous présente quelques expériences historiques de la mécanique quantique.

Après avoir développé les fondements théoriques et les 6 postulats fondamentaux de la mécanique quantique, il nous montre comment utiliser le comportement quantique des grains de lumière pour éclairer les zones d'ombre laissée par la théorie ondulatoire de la lumière. Voici, avec des mots simples et de belles illustrations, de quoi introduire les subtilités de la physique moderne à nos élèves de terminale.

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Ces enregistrements ont été réalisés avec le soutien technique du CRDP d'Orléans.

Comment définir l’« objet quantique » à nos élèves de terminale S ?

1. Introduction historique
Etat des connaissances en physique au début du XXème siècle : « A par une petite difficulté dans le rayonnement, la Physique est terminée (Lord Kelvin) ».
1905 : alors que l’on croyait tout savoir, naissent la mécanique quantique et la mécanique relativiste…

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2. L'expérience de Malus

2.1. Expérience "classique" de Malus
Une onde lumineuse est polarisée, mais aussi atténuée lorsqu’elle traverse un polariseur.

lien vers la vidéo : "Effet d'un polariseur"

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2.2. Expérience "quantique" de Malus
La lumière  manifeste son aspect corpusculaire lorsqu’on réalise la même expérience avec un atténuateur. La fonction d’onde du photon décrit son comportement de manière probabiliste.

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2.3. Conclusions quantiques
Les 6 postulats de la mécanique quantique : fonction d’onde, observable, valeurs propres, probabilité d’un évènement quantique, perturbation par la mesure, équation de Schrödinger.
Les relations de Planck-Einstein.

« L’onde permet de calculer la probabilité qu’un corpuscule se manifeste »

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2.4. Retour sur l'interprétation classique
Pour un grand nombre de photon, l’interprétation quantique de l’expérience de Malus rejoint son interprétation classique.

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3. Les fentes d'Young

3.1. Description du dispositif expérimental

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3.2. Interprétation corpusculaire
La distribution des impacts des particules traversant les deux fentes et arrivant sur l’écran est décrite de manière probabiliste par une courbe en cloche.

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3.3. Interprétation ondulatoire
Obtention d’une figure d’interférence. Dans le cas d’une onde lumineuse, les équations de Maxwell permettent de calculer l’intensité lumineuse en un point de l’écran.
Comparaison des deux modèles.

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3.4. Que se passe-t-il si les photons sont émis un par un ?
Les deux modèles se complètent pour expliquer la distribution des photons sur l'écran.

Animation illustrant la notion de paquet d’onde et de réduction de paquet d’onde.

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3.5. Cas des particules massiques
« L’onde permet de calculer la probabilité qu’un corpuscule se manifeste (L. de Broglie) », quelque soit la nature du corpuscule (ou presque).

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4. Le radiomètre de Crooke

4.1. L'appareil dans le vide

lien vers la vidéo "Le radiomètre de Crook dans le vide"

4.2. Interprétations ondulatoire et corpusculaire
Où comment chaque modèle rend compte de l'observation.

4.3. Le piège à éviter...

lien vers la vidéo "Le piège"

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5. Le "paradoxe" E.P.R. (Einstein-Podolsky-Rosen)

Deux photons intriqués ont des propriétés physiques corrélées : si l’on modifie l’état physique de l’un des deux photons, alors, l’état du second photon est lui aussi modifié. Cette observation est-elle paradoxale ? Comment l’expliquer ?

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6. Le "paradoxe" du chat de Schrördinger

Le chat est-il mort ou est-il vivant ?
La théorie quantique est-elle transposable au monde macroscopique ? Le problème de la décohérence quantique.

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Questions réponses

Comment définir l’« objet quantique » à nos élèves de terminale S ?

Comment parler de l'effet de l’observateur sur le résultat de l’expérience quantique ?

Comment faire comprendre aux élèves que la présence de l’observateur quantique perturbe l’observation ?

Les élèves ont vu le phénomène de diffraction. Comment leur expliquer ce phénomène avec la théorie quantique ?

La fonction d’onde est-elle modifiée lorsqu’elle traverse un obstacle ?

Qu’observerait-on au niveau de la fonction d’onde s’il n’y avait pas d’obstacle ?

Jusqu’à quelle taille d’objet peut-on observer des phénomènes quantiques ? Quels sont les objets sur lesquels les effets quantiques peuvent se manifester ?

Quel est l’effet de l’observateur sur la particule quantique ?

Quelle est la principale difficulté expérimentale à maîtriser pour observer des interférences avec des corpuscules massiques ?

Quelles sont les applications pratiques de la mécanique quantique ?

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