Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

Ondes et Particules : Le mystère au cœur de la mécanique quantique - Chad Orzel

Traducteur: gilles damianthe Relecteur: eric vautier

One of the most amazing facts in physics is this:

Voici un des faits les plus étonnants de la physique :

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

absolument tout dans l'univers, de la lumière aux électrons et aux atomes

behaves like both a particle and a wave at the same time.

se comporte à la fois comme une onde et une particule simultanément.

Et tous ces trucs étranges que vous avez pu entendre sur la physique quantique :

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

le chat de Schrödinger,

Dieu qui joue aux dés,

l'action fantôme à distance,

all of it follows directly from the fact

tout découle directement du fait

that everything has both particle and wave nature.

que tout a, en même temps, une nature d'onde et de particule.

This might sound crazy.

Cela peut paraître fou. Si vous ouvrez l’œil, vous verrez

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

des ondes dans l'eau et des particules de roches,

and they're nothing alike.

elles n'ont rien en commun.

So why would you think to combine them?

Alors, pourquoi penseriez-vous à les combiner ?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

Les physiciens n'ont pas décidé de réunir ces choses du jour au lendemain.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

Ils ont plutôt été conduits à la nature duale de l'univers

through a process of small steps,

par un long processus de petits pas,

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

assemblant minutieusement les éléments de preuve, comme les pièces d'un puzzle.

The first person to seriously suggest the dual nature of light

La première personne à vraiment envisager la double nature de la lumière

was Albert Einstein in 1905,

fut Albert Einstein en 1905,

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

mais il suivait une idée plus ancienne de Max Planck.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Planck a expliqué les couleurs de la lumière émise par des objets chauds,

like the filament in a light bulb,

comme le filament d'une ampoule,

but to do it, he needed a desperate trick:

mais pour se faire, il eut recours à un stratagème désespéré :

he said the object was made up of oscillators

il déclara que l'objet était constitué d'oscillateurs

that could only emit light in discrete chunks,

pouvant émettre de la lumière en quantités discrètes (quanta),

units of energy that depend on the frequency of the light.

petites unités d'énergies dépendant de la fréquence de la lumière.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

Planck ne fut jamais complètement satisfait par cette idée

mais Einstein s'en est saisi et l'a développée.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

Il appliqua l'idée de Planck à la lumière elle-même,

déclarant que la lumière,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

que tout le monde considérait comme une onde,

est un flux de photons,

each with a discrete amount of energy.

chacun avec sa propre quantité d'énergie.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

Einstein lui-même considérait cela

comme la seule chose vraiment révolutionnaire qu'il ait faite,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

et cela explique comment la lumière frappant une surface métallique

lui fait perdre des électrons.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

Même les gens qui détestaient cette idée

durent accepter qu'elle fonctionnait à merveille.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

La pièce suivante du puzzle est venue de Ernest Rutherford en Angleterre.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

En 1909, Ernest Marsden et Hans Geiger, qui travaillaient pour Rutherford,

shot alpha particles at gold atoms

ont tiré des particules alpha sur des atomes d'or

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

et ont été stupéfaits de constater que certains rebondissaient vers l'arrière.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

Cela démontrait que la plupart de la masse de l'atome

était concentrée dans un noyau minuscule.

L'image de l'atome que vous apprenez à l'école primaire,

The cartoon atom you learn in grade school,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

avec ses électrons en orbite, comme un système solaire miniature,

that's Rutherford's.

c'est le modèle de Rutherford.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

Il y a un petit problème avec ce modèle : il ne peut pas marcher.

Classical physics tells us that an electron

La physique classique nous enseigne qu'un électron

whipping around in a circle emits light,

en orbite sur un cercle émet de la lumière

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

et nous utilisons cela tout le temps pour générer des ondes radio et des rayons X.

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

Les atomes de Rutherford devraient émettre des rayons X dans toutes les directions

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

pendant un bref instant avant de s'écraser sur le noyau.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

Mais Niels Bohr, physicien théoricien danois travaillant avec Rutherford,

pointed out that atoms obviously exist,

a souligné que, de toute évidence, les atomes existent !

so maybe the rules of physics needed to change.

Donc, Il faudrait peut-être changer les lois de la physique.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Bohr a proposé qu'un électron sur certaines orbites particulières

doesn't emit any light at all.

n'émet pas de lumière du tout.

Les atomes absorbent et émettent de la lumière

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

seulement lorsque les électrons changent d'orbite,

and the frequency of the light depends on the energy difference

et la fréquence de la lumière dépend de la différence d'énergie

in just the way Planck and Einstein introduced.

de la même façon que Planck et Einstein ont introduit le concept.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

Le modèle de Bohr corrige le problème de Rutherford

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

et explique pourquoi les atomes émettent seulement

des couleurs très spécifiques de la lumière.

Each element has its own special orbits,

Chaque élément a ses propres orbites particulières

and thus its own unique set of frequencies.

et donc un ensemble de fréquences qui lui est propre.

The Bohr model has one tiny problem:

Le modèle de Bohr a un petit problème :

there's no reason for those orbits to be special.

il n'y a aucune raison de favoriser ces orbites plutôt que d'autres.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Mais Louis de Broglie, un doctorant français,

brought everything full circle.

a réussi à boucler la boucle.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

Il a souligné que si la lumière, que le monde savait être une onde,

behaves like a particle,

se comporte comme une particule,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

alors, peut-être que l'électron, que le monde savait être une particule,

behaves like a wave.

se comporte comme une onde.

And if electrons are waves,

Et si les électrons sont des ondes,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

il est facile d'expliquer la règle de Bohr pour choisir des orbites particulières.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

Avec cette idée en tête, l'électron se comporte comme une onde,

you can go look for it.

vous pouvez aller à sa recherche.

And within a few years, scientists in the US and UK

Et en quelques années, des scientifiques aux USA et au Royaume-Uni

had observed wave behavior from electrons.

ont observé le comportement ondulatoire des électrons.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

De nos jours, nous avons une démonstration très claire de ceci :

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

on bombarde des électrons un par un sur un écran percé de deux fentes.

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

Chaque électron est détecté à un endroit précis à un instant précis,

like a particle.

comme le serait une particule.

But when you repeat the experiment many times,

Mais quand vous répétez l’expérience un grand nombre de fois,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

les électrons tracent des franges (figure d'interférence)

characteristic of wave behavior.

caractéristiques d'un comportement ondulatoire.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

Cette idée de particules se comportant comme des ondes et vice versa,

is one of the strangest and most powerful in physics.

est l'une des plus étranges et des plus puissantes de la physique.

Richard Feynman famously said

Selon le mot célèbre de Richard Feynman,

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

ceci illustre le mystère central de la mécanique quantique.

Everything else follows from this,

Tout le reste en découle,

like pieces of a puzzle falling into place.

comme les pièces d'un puzzle se mettant en place.