C'EST NATUREL      




La lumière est-elle onde ou corpuscule ? Cette question dichotomique n'a sans doute pas grand sens


Christian Magnan
Collège de France, Paris
Université de Montpellier II


La dualité onde-corpuscule de la lumière a constitué un formidable paradoxe au début du XXe siècle. Elle est même pour une bonne part à l'origine du développement de la mécanique quantique.

En effet les physiciens ont été obligés d'admettre que la lumière, reconnue jusque-là comme une onde électromagnétique, selon la théorie de Maxwell, se présentait également sous forme de corpuscules d'énergie bien définie. Toute une série de faits expérimentaux le démontraient. Ainsi pour expliquer la façon dont la lumière se répartissait en longueur d'onde dans un corps noir, Planck formula l'hypothèse que cette lumière était composée de grains de lumière, les « quanta » (terme qui donna son nom à la mécanique quantique) et reçut le prix Nobel en 1918. La même hypothèse fut développée par Einstein pour expliquer l'effet photoélectrique, découverte pour laquelle lui fut attribué également le prix Nobel en 1921 (curieusement son invention géniale de la théorie de la relativité ne fut pas récompensée par un Nobel).

Cependant il était en même temps impossible d'abandonner l'aspect proprement ondulatoire de la lumière, aussi manifeste dans certaines circonstances (par exemple dans le phénomène d'interférences) que l'était l'aspect corpusculaire dans d'autres.

La physique était incapable d'associer ces deux aspects contradictoires.

En effet puisqu'il s'agissait de particules, la physique assignait à chacune d'elles une trajectoire. Mais comment expliquer alors ces phénomènes d'interférences qui manifestaient si clairement la présence d'ondes susceptibles de se combiner entre elles dans tout l'espace ?

Les choses n'étaient pas simples. On ne pouvait pas se contenter d'additionner ces deux notions disparates en énonçant que l'onde supporterait la matière, ou qu'elle contiendrait comme des grumeaux, ou qu'elle se propagerait conjointement à des corpuscules.

Certes Louis de Broglie proposa d'associer une onde à toute particule mais on ne trouvait pas d'équation convenable susceptible de décrire pleinement cette association. La formule donnant la longueur d'onde    associée à la quantité de mouvement psavoir   =  / p, où    est la constante de Planck divisée par  2  ) ou la formule donnant l'énergie  E  d'un photon de fréquence  ν  (à savoir E = h ν) ne suffisaient pas à bâtir une théorie complète.

Pour résoudre le problème, la physique a dû véritablement se métamorphoser et accoucher d'une nouvelle théorie : la théorie quantique.

Comment les choses se présentent-elles de nos jours ?

Sans conteste c'est l'aspect ondulatoire qui prime d'emblée, puisque la physique décide au départ de considérer une onde. Mais les équations auxquelles satisfait cette onde ne sont plus les équations classiques de Maxwell. L'onde est maintenant soumise à l'équation de Schrödinger et en changeant de cadre elle se voit dotée de propriétés nouvelles.

L'onde (plus précisément la fonction d'onde) présente dans le contexte quantique un comportement qui l'apparente (sans l'identifier) à des corpuscules individuels, ce qui estompe son caractère continu. Ce comportement se manifeste dans certaines conditions, notamment lorsqu'intervient une détection ou une interaction avec la matière.

Je trouve important de préciser que la traduction en terme de particules n'est pas brute et immédiate. D'ailleurs comment le serait-elle dans la mesure où nous nous servons d'une terminologie issue du concret (particule, qui fait référence à un minuscule corps solide ; onde, qui rappelle tous les phénomènes ondulatoires familiers, comme des ronds dans un étang à la surface tranquille) pour décrire des résultats abstraits ?

Les opérations faisant apparaître l'aspect corpusculaire sont une fois de plus des opérations de type mathématique, qui trouvent bien une certaine correspondance dans le monde réel mais certainement pas une équivalence stricte. Parmi ces opérations, la plus simple consiste dans l'évaluation de l'énergie totale du système : l'intensité totale des ondes en quelque sorte. Or lorsqu'on se livre à cette détermination, on découvre que le résultat se trouve être un nombre entier : 0, 1, 2, etc., et uniquement un nombre entier, de sorte que tout se passe comme si l'opération en question se ramenait à additionner des objets individuels. Ce qui fait dire que la lumière est formée de quanta. Mais il faut savoir combien le théorème mathématique, que nous traduisons concrètement en introduisant des grains indivisibles de lumière, est abstrait (et abscons à plus d'un) ! Je cite :

« Le spectre des valeurs de l'opérateur N (un opérateur qui est défini en gros comme la sommation sur tout l'espace de la probabilité de présence associée à la fonction d'onde   ) est formé par la suite des nombres entiers non négatifs. »


Voilà comment apparaît dans le formalisme quantique actuel la notion de « photon » ! On admettra qu'on est loin de la notion courante de « grain » (comme de petits cailloux dans un sac..).

Toute traduction dénature le texte source : « Traduttore, traditore ». Dire que la lumière est formée de particules (photons, quanta) n'est qu'une traduction, parfois satisfaisante, parfois cruellement caricaturale, selon le contexte. Il est clair que ceux qui parleraient de photons comme si « cela » existait vraiment extrapoleraient sans justification le discours littéral de la théorie.

À suivre


Version revue, corrigée et enrichie
du livre de Christian Magnan
La nature sans foi ni loi,
Éditions Belfond/Sciences (1988)
Dernière modification : 12 juillet 2010


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