Dualité onde-particule

En accord avec la théorie quantique, la lumière est modélisée comme un "mélange onde-particule" : les photons. En 1930, Bohr énonça le principe de complémentarité: c'est l'ensemble des propriétés, à la fois ondulatoires et corpusculaires, qui rend le mieux compte du comportement de la lumière (bien mieux qu'une conception entièrement ondulatoire, ou au contraire entièrement corpusculaire). La recherche de l'éther devint inutile, car on put comprendre que les photons, de part leur aspect corpusculaire, étaient capables de se déplacer dans le vide.

Dans les années 1920, Einstein montra que l'énergie et la masse d'une particule (même au repos) sont liées. Il résuma son hyphothèse grâce à sa fameuse formule: E = mc². Il montra aussi que l'espace et le temps sont étroitement liés.

Le même genre de liaison apparu lors de la dualité (complémentarité, en fait) onde-particule concernant la lumière. En effet, De Broglie montra en 1923 que les électrons (qu'on avait toujours représenté comme des particules) révèlaient parfois un comportement ondulatoire! On étendit ainsi la dualité à toutes les particules microscopiques. Ces comportements ondulatoires ne sont décelables qu'à très petite échelle et à grande énergie. Puis en 1929, Davisson et Germer vérifièrent une nouvelle une fois expérimentalement la dualité. Ils obtinrent des images de diffraction concernant des électrons déviés par un métal chauffé. Le métal se comporta comme un cristal à électrons. D'autres physiciens mirent aussi en évidence la nature ondulatoire des particules microscopiques, grâce à d'autres méthodes (Thomson, Compton, Schrödinger, Sommerfeld, etc). Cette découverte de la nature duale des particules permit le développement de techniques nouvelles (comme les microscopes électroniques, les lasers, etc).

Une nouvelle révolution conceptuelle apparu lorsqu'en 1926 Schröndinger proposa une nouvelle description concernant les électrons atomiques. Auparavant, les modèles de Bohr et Sommerfeld étaient encore inspirés de la mécanique classique. Dans ces modèles, les électrons décrivent des orbites autour du noyau (par analogie avec les planètes autour du Soleil). Mais on ajoutait des hypothèses de quantification arbitraires pour essayer de rendre compte des résultats expérimentaux concernant le spectre de l'atome d'hydrogène. Schröndinger, lui, décrivit les électrons atomiques au moyen d'ondes stationnaires localisées autour du noyau. Il élabora un modèle mathématique, avec des fonctions d'ondes, qu'il baptisa mécanique ondulatoire (ou mécanique quantique).
D'autres scientifiques contribuèrent à cette théorie (Dirac, Born, etc). Une des conséquences les plus troublantes de cette conception ondulatoire est le fait qu'un électron ne peut être localisé de manière ponctuelle comme une particule. En effet, on ne peut que prédire la probabilité de l'observer dans un volume donné (et à un instant donné).

A la même époque, Heisenberg décrivit le monde atomique d'une autre manière. Il remarqua que l'ordre dans lequel on effectuait la mesure de deux grandeurs était important. Les résultats ne sont pas exactement les mêmes lorsqu'on mesure d'abord la vitesse d'une particule, puis sa position. Ou alors lorsqu'on mesure d'abord sa position, puis sa vitesse! Il en résulta une théorie mathématique des observables (ou théorie des matrices) qui est plus abstraite et ne fournit des résultats que pour les grandeurs physiquement observables (par exemple les énergies possibles pour les niveaux électroniques des atomes). Un phénomène très troublant apparu comme conséquence de cette théorie: le principe d'indétermination (ou d'incertitude). Au niveau microscopique, on ne peut pas mesurer exactement et en même temps la position et la vitesse d'une particule. En effet, toute mesure perturbe, par son action, l'état de la particule. Cette perturbation est négligeable à l'échelle macroscopique mais devient importante à l'échelle microscopique. Cette conception nouvelle permit la compréhension de phénomènes inexplicables autrement, comme le violation du principe de conservation de l'énergie pendant un instant très bref (principe d'indétermination temps-énergie: théorie d'Einstein et Yukawa). Une autre conséquence de cette théorie est l'apparition des particules virtuelles (modèle de Schwinger, Feynman et Tomonaga). On peut même imaginer que l'Univers a commencé par être une particule virtuelle (aux tous premiers instants) de très petite taille et de très grande masse-énergie. Puis, le Big Bang serait la manifestation de l'existence soudaine de cette particule! Le principe d'incertitude explique aussi le comportement de "l'hélium superfluide", qui met en évidence l'énergie résiduelle de vibration à la température du zéro absolu.

Malgré l'excellent résultat prévisionnel de toutes ces théories quantiques, on avait de la peine à concevoir de telles différences intellectuelles (notamment entre l'approche ondulatoire et entre l'approche matricielle des observables). Finalement, Von Neumann montra en 1944 que ces deux modèles mathématiques étaient équivalentes (théorie des fonctions d'onde de Schrödinger ou théorie des matrices de Heisenberg).