5.1 Dualité onde-particule de la lumière

D'abord, un peu de physique quantique. En 1799, le physicien anglais Thomas Young fit quelques expériences sur les propriétés de la lumière. Il envoya un jet de lumière de façon à traverser deux petites fentes avant d'atteindre un écran. Les fentes étaient traversées simultanément. Lorsqu'on regardait l'écran, on pouvait observer un phénomène appelé interférence, ce qui a permis de démontrer que la lumière se comporte comme une onde. La lumière issue de la première fente rejoignait celle de la deuxième fente sur l'écran. Lorsqu'un creux rencontrait un autre creux ou que deux sommets se rencontraient au niveau de l'écran, cela produisait une frange plus lumineuse. Si un sommet rencontrait un creux, cela produisant une frange sombre. Le résultat final de cette interférence est une série de franges claires et foncées en alternance sur l'écran. Cette expérience est la base de la théorie ondulatoire de la lumière.

**Figure 8:** L'expérience de Young
$\includegraphics[ width=14cm, height=5cm]{young.eps}$ Source: [2], p. 170.

Plus le temps avançait, plus les scientifiques faisaient des expériences sur la lumière. Les moyens techniques devenaient de plus en plus sophistiqués, ce qui permettait aux chercheurs d'essayer et d'observer des choses impossibles à faire auparavant. Un certain physicien du nom de Max Planck (1856-1947) qui était un spécialiste de la thermodynamique travaillait depuis plusieurs années sur le rayonnement des enceintes.¹⁷ Il était fortement impressionné par le fait que le type d'atome agissant comme oscillateur pour le rayonnement obtenu, c'est-à-dire le matériau constituant l'enceinte, n'ait aucune influence sur la longueur d'onde produite. Il remarqua que l'entropie d'un système quelconque, comme, par exemple, les oscillateurs rayonnant dans les parois d'une enceinte, est maximale lorsque le système atteint l'équilibre thermodynamique.¹⁸ Grâce à ses observations et celles des physiciens Rayleigh et Jean, il obtint une nouvelle formule du rayonnement, différente du modèle ondulatoire déjà connu. Dans sa formule, afin de faciliter les calculs, il traitait l'énergie totale des oscillateurs comme des « éléments » d'énergie de grandeur finie $\varepsilon$ , et non comme un débit constant dans le temps. Afin d'obtenir son équation sur le rayonnement, on devait poser que $\varepsilon =hf$ ,

étant la fréquence l'oscillateur et

une constante.¹⁹ Cette loi devint la loi de Planck, laquelle permet de représenter correctement le spectre de rayonnement d'une enceinte dans sa totalité. À ce stade, personne, pas même Planck, ne se rendit compte de l'importance de cette loi. Pour lui, les « éléments d'énergie » n'étaient qu'un moyen de faciliter les calculs relatifs au rayonnement des enceintes.

Quelques années plus tard, Einstein démontra que cette loi n'était vraie que si l'énergie de chaque oscillateur était quantifiée en multiples de

. Avec cette nouvelle découverte, Einstein venait de démontrer au monde que l'énergie, et donc la lumière, possédait une quantité minimale, ce qui laissait supposer l'existence d'une particule élémentaire. Bien que la loi de Maxwell basée sur la théorie ondulatoire parvenait très bien à expliquer les comportements de la lumière comme l'interférence ou la diffraction, elle ne pouvait pas expliquer le rayonnement des enceintes, contrairement à celle de Plank. Il remarqua que dans le cas de la diffraction ou de l'interférence, les valeurs que l'on emploie correspondent à des moyennes dans le temps, alors que pour le cas d'événements d'échange de très petites quantités d'échange d'énergie, il fallait alors considérer la lumière comme des particules individuelles d'énergie fixe, des photons.²⁰

En sachant alors que la lumière peut aussi être considérée comme des petites particules ou comme une onde, certains physiciens ont refait l'expérience de Young avec la technologie d'aujourd'hui. Ils ont mis deux petites fentes devant un écran et ont envoyé un faisceau modifié composé d'un seul photon par minute. N'ayant qu'un seul photon à la fois traversant une seule fente, on pouvait s'attendre à ce que, sur une période d'une heure, deux raies de lumières aparaissent. Mais l'expérience a donné des résultats inattendus: il y avait quand même des franges foncées et des franges pales sur l'écran, ce qui signifie qu'il y avait une interférence. Un photon qui interfère avec lui-même? Comme toute expérience liée à la physique quantique, les résultats défient la logique habituelle. Ils défient même la physique classique, puisqu'une particule ne peut pas passer à deux endroits à la fois.