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Projet de rédaction pour la section Lumière#Ondes et corpuscules
ou un autre titre si plus approprié.

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Ondes et corpuscules

Divers phénomènes physiques mettent en évidence parfois l'aspect corpusculaire, parfois l'aspect ondulatoire de la lumière. Selon les cas, la lumière présente des propriétés soit propres à une onde, sans localisation — diffraction, polarisation, etc., soit propres à un objet localisé, un corpuscule — effet photoélectrique, spectre d'émission des matériaux, chimie des colorants, etc..

L'approche corpusculaire est inévitable lorsque les énergies en jeu sont si faibles qu'on ne peut rien en prélever pour la mesure sans perturber le système. L'approche ondulatoire sert en optique et dans les cas qui concernent des puissances incomparablement plus grandes que celle des photons. Ses modèles supposent que les phénomènes sont mesurables sur une échelle continue.

Sources à trouver pour ce synopsis s'il doit dépasser ces 2 §, 110 mots, 792 signes.

V. 1.1

Divers phénomènes physiques mettent en évidence parfois l'aspect corpusculaire, parfois l'aspect ondulatoire de la lumière. Selon les cas, la lumière présente des propriétés soit propres à une onde, sans localisation — comme la diffraction, soit propres à un objet localisé, un corpuscule — comme l'effet photoélectrique. Sa description complète fait nécessairement intervenir les deux aspects de manière complémentaire.

Lorsqu'une source ponctuelle éclaire un écran à travers un obstacle percé d'un petit trou, on observe, plutôt qu'un point lumineux, une tache : la diffraction cause l'éparpillement de la lumière. Deux trous rapprochés ne produisent pas deux taches jointes, comme le feraient deux sources indépendantes, mais une succession de franges alternativement sombres et brillantes, qu'explique une d'interférence entre ondes. On obtient des franges plus lumineuses avec des fentes parallèles. Quand on réduit l'émission à un photon à la fois, et qu'on en détecte l'arrivée sur l'écran, chaque impact est ponctuel. Avec une seul fente, on observe une certaine distribution des impacts, et avec un très grand nombre, on reconstitue la tache de lumière. Avec deux fentes, les nuages d'impacts finissent par reconstituer une figure d'interférences.

Dans le modèle du corpuscule, chaque événement — émission de photon — est indépendant. On peut en pensée séparer les photons entre ceux qui sont passés par chacune des fentes. Ceux qui sont passés par l'une ne devraient subir aucune influence de l'ouverture ou de la fermeture de l'autre. Il ne devrait pas y avoir d'interférences. Celles-ci prouvent que la lumière, composée de corpuscules — les photons — se comporte comme une onde.

Dans l'expérience des fentes de Young, toute tentative pour déterminer par où est passé un photon anéantit les interférences. L'énergie qu'il faut communiquer au système pour avoir une trace de la trajectoire suffit pour le perturber. Le modèle qu'on doit choisir pour décrire un phénomène lumineux dépend de sa taille et, corrélativement, de l'appareillage qu'on utilise pour l'observer. Le principe d'incertitude de Heisenberg traite de la limite entre les deux.

wc : 4, 326, 2240

V. 1.0

La dualité onde-corpuscule, un des principes de base de la physique quantique, prescrit que, selon l'expérience réalisée, la lumière présente des caractéristiques soit propres à une onde, sans localisation, soit propres à un objet localisé, un corpuscule, la description complète faisant nécessairement intervenir les deux aspects de manière complémentaire (Dic. Physique 2013:215 « dualité onde-corpuscule »).

Lorsqu'on éclaire, par une source ponctuelle, un écran à travers un obstacle percé d'un petit trou, on observe, plutôt qu'un point lumineux, une tache : la diffraction cause l'éparpillement de la lumière. Deux trous rapprochés ne produisent pas deux taches jointes, comme le feraient deux sources indépendantes, mais une succession de franges alternativement sombres et brillantes, qui témoignent d'un phénomène d'interférences entre ondes. On obtient des franges plus lumineuses avec des fentes parallèles. (Dic. Physique 2013:701 « trous d'Young (expérience des) »). Quand on réduit l'émission à un photon à la fois, et qu'on en détecte l'arrivée sur l'écran, chaque impact est ponctuel. Avec une seul fente, on observe une certaine distribution des impacts, et avec un très grand nombre, on reconstitue la tache de lumière. Mais, avec deux fentes, les nuages d'impacts finissent par reconstituer une figure d'interférences (Klein 2004:27).

Dans le modèle du corpuscule, chaque événement — chaque émission de photon — est indépendant. On peut en pensée séparer les photons entre ceux qui sont passés par la fente 1 et ceux qui sont passés par la fente 2. Ceux qui sont passés par l'une ne devraient subir aucune influence de l'ouverture ou de la fermeture de l'autre. Il ne devrait pas y avoir d'interférences. Cependant, les interférences prouvent que la lumière, composée de corpuscules — les photons — se comporte comme une onde (Klein 2004:27).

Dans l'expérience des fentes de Young, toute tentative pour déterminer par où est passé un photon anéantit les interférences. L'énergie qu'il faut communiquer au système pour avoir une trace de la trajectoire suffit pour le perturber. Le modèle qu'on doit choisir pour décrire un phénomène lumineux dépend de sa taille et, corrélativement, de l'appareillage qu'on utilise pour l'observer. Le principe d'incertitude de Heisenberg traite de la limite entre les deux (Klein 2004:47sq).

wc : 4, 330, 2273

V.0

Les recherches sur la lumière se sont basées sur des métaphores, élaborées en modèles qui rendaient compte de ses propriétés vérifiables expérimentalement. L'analogie entre la réflexion dans un miroir et le rebond d'une boule de billard permettait un modèle géométrique. L'analogie avec la propagation des perturbations à la surface de l'eau permettait d'expliquer les mêmes phénomènes, plus une série d'expériences, notamment sur les interférences. Au XIX^e siècle, la seconde de ces analogies, la théorie ondulatoire de la lumière, triompha absolument. Elle bénéficiait de sa cohérence avec le calcul infinitésimal, qui avait remplacé, dans les mathématiques les plus diffusées parmi les savants, la géométrie, devenant l'idiome de base de la science. Dans la seconde moitié du siècle, les équations de Maxwell font de la lumière, dans ce cadre mathématique, un cas particulier du rayonnement électromagnétique.

Cependant, l'expérience montre des effets pour lesquels la théorie ondulatoire ne donne pas de modèle. Depuis l'abandon de la théorie corpusculaire, l'étude des probabilités avait beaucoup progressé à la fin du XIX^e siècle, et des physiciens comme Boltzmann et Plank les utilisèrent pour modéliser des phénomènes, parmi lesquels le rayonnement du corps noir. L'usage des statistiques se justifie par le fait que si des particules constituent la lumière, il doit y en avoir, dans les rayonnements généralement observés, un très grand nombre. En 1905, Einstein reprend l'idée que la lumière peut avoir une nature corpusculaire.

L'usage du modèle ondulatoire ou du modèle corpusculaire dépend de l'échelle de l'expérience. Pour que le modèle ondulatoire fonctionne, il faut un grand nombre des photons. Le principe d'incertitude de Heisenberg traite de la limite entre les deux(Klein 2004, p. 11, 47sq).

wc : 3 §, 267 mots, 1857 chrs

Texte de la section le 3 septembre : 8 §, 435 mots, 3036 chrs

Références

• Étienne Klein, Petit voyage dans le monde des quanta, Paris, Flammarion, coll. « Champs sciences », 2004