La dualité est la relation entre deux entités qui sont censées être fondamentalement aussi importantes ou légitimes que les caractéristiques de l'objet sous-jacent.

La définition précise d'une "dualité" dépend sur le contexte. Par exemple, dans la théorie des cordes, une dualité relie deux descriptions apparemment inéquivalentes d'un système physique dont les conséquences physiques, lorsqu'elles sont étudiées de manière absolument exacte, sont absolument identiques.

La dualité (ou dualisme) onde-particule n'est pas loin de cette forme «extrême» de dualité. Il dit en effet que les objets tels que les photons (et les ondes électromagnétiques qui en sont composées) et les électrons présentent à la fois des propriétés d'onde et de particule et ils sont également naturels, possibles et importants.

En fait, on peut dire que il y a deux descriptions équivalentes des particules - dans la base de position et la base d'impulsion. Le premier correspond au paradigme des particules, le second correspond au paradigme des ondes parce que les ondes avec des longueurs d'onde bien définies sont représentées par des objets simples.

Ce n'est certainement pas vrai que Young avait tort et Newton avait raison. Jusqu'au 20e siècle, il semblait évident que Young avait plus raison que Newton parce que la lumière présente incontestablement des propriétés d'onde, comme le montrent les expériences de Young et les phénomènes d'interférence et de diffraction en général. Les mêmes phénomènes d'ondes s'appliquent aux électrons qui se comportent également comme des ondes dans de nombreux contextes.

En fait, la "théorie de presque tout" de pointe s'appelle la théorie quantique des champs et elle est basée sur les champs comme objets fondamentaux tandis que les particules ne sont que leurs excitations quantifiées. Un champ peut contenir des ondes et la mécanique quantique dit simplement que pour une fréquence fixe $ f $, l'énergie transportée dans l'onde doit être un multiple de $ E = hf $. L'entier comptant le multiple est interprété comme le nombre de particules mais les objets sont plus fondamentalement des ondes.

On peut aussi adopter une perspective ou une description dans laquelle les particules semblent plus élémentaires et les phénomènes d'ondes n'en sont qu'une propriété secondaire.

Aucune de ces deux approches n'est erronée; aucun d'entre eux n'est "qualitativement plus précis" que l'autre. Ils sont vraiment tout aussi valides et tout aussi légitimes - et mathématiquement équivalents, lorsqu'ils sont décrits correctement - c'est pourquoi le mot «dualité» ou «complémentarité» est si approprié.

En effet, comme le site Web du CERN le souligne

Les théories et les découvertes de milliers de physiciens au cours du siècle dernier ont abouti à un aperçu remarquable de la structure fondamentale de matière: tout ce qui se trouve dans l'univers est constitué de douze éléments de base appelés particules fondamentales, régis par quatre forces fondamentales.

Il faut souligner qu'ils se réfèrent à des particules quantiques. Une particule quantique n'est pas une particule newtonienne. Une particule quantique n'est pas une onde. Une particule quantique ne se comporte jamais comme une onde et c'est la raison pour laquelle la discipline qui étudie les particules quantiques telles que les électrons, les quarks ou les photons est appelée "physique des particules" et non "physique des ondes".

Votre question sur la dualité onde-particule trouve une bonne réponse sur le site Klein:

la vraie dualité onde-particule n'existe pas.

Le site révèle également des détails historiques intéressants sur la façon dont les croyances incorrectes sur la dualité et la complémentarité étaient basées sur les premiers malentendus de la théorie quantique ainsi que sur certaines limitations technologiques de l'appareil utilisé dans les premières expériences d'interférence à double fente.

Les «particules» sont-elles vraiment des «ondes»? Dans les premières expériences, les motifs de diffraction ont été détectés de manière holistique au moyen d'une plaque photographique, qui ne pouvait pas détecter les particules individuelles. En conséquence, l'idée grandit que les propriétés des particules et des ondes étaient incompatibles entre elles, ou complémentaires, en ce sens que différents appareils de mesure seraient nécessaires pour les observer. Cette idée, cependant, n'était qu'une généralisation malheureuse à partir d'une limitation technologique. Aujourd'hui, il est possible de détecter l'arrivée d'électrons individuels, et de voir le diagramme de diffraction émerger comme un modèle statistique composé de nombreuses petites taches (Tonomura et al., 1989).

Aujourd'hui, nous savons que la dualité onde-particule n'existe pas et la littérature moderne évite le terme:

La miraculeuse "dualité onde-particule" continue de s'épanouir dans textes populaires et manuels élémentaires. Cependant, le taux d'apparition de ce terme dans les travaux scientifiques a diminué ces dernières années (il en va de même pour la notion de complémentarité de Bohr).

En fait, si une dualité onde-particule existait ou jouait un rôle fondamental, il se trouverait dans les manuels modernes. Un critique dans les commentaires fait appel à la théorie quantique des champs, mais le fait est que vous ne pouvez pas trouver le terme «dualité onde-particule» dans les indices des manuels récents de théorie quantique des champs tels que Weinberg (Volume I) ou dans des classiques comme celui de Mandl & Shaw. Pourquoi? Parce qu'il n'y a pas de "dualité onde-particule" dans la nature.

Vous pouvez également consulter le glossaire scientifique du CERN et vérifier qu'il n'y a aucune entrée ou mention de "onde-particule dualité". Pourquoi? Parce qu'il n'y a pas de «dualité onde-particule» dans la nature.

Certaines personnes pensent que les fonctions d'onde utilisées dans certaines formulations de QM sont de vraies ondes, mais c'est une erreur. Une vague est un système physique qui transporte de l'énergie et de l'élan. Une fonction d'onde est une fonction mathématique qui ne peut pas être observée. Les fonctions d'onde ne sont qu'un moyen approximatif de représenter les états de vrais objets quantiques dans certaines formulations de QM. L'état quantique d'un système ouvert ne peut pas être représenté par une fonction d'onde. Ce n'est pas une simple question de sémantique.

Comme l'explique clairement le site de Klein cité ci-dessus, tous les phénomènes quantiques, y compris les modèles d'interférence, peuvent être expliqués sans aucune dualité onde-particule.

On analyserait également des expériences comme celle de la double fente avec des électrons. Comme indiqué ci-dessus, il est aujourd'hui possible de détecter l'arrivée d'électrons individuels, et de voir le diagramme de diffraction émerger comme un modèle statistique composé de nombreux petits points. Pour obtenir le diagramme d'interférence statistique , vous devez répéter l'expérience pendant une période de temps et superposer les résultats de chacun des essais individuels dans un chiffre statistique final

Le diagramme d'interférence statistique observé correspond à une distribution statistique des positions de différentes particules à des moments différents. Il n'y a pas de comportement ondulatoire pour un seul électron:

Les manifestations du comportement ondulatoire sont de nature statistique et émergent toujours du résultat collectif de nombreux événements d'électrons. Dans la présente expérience, rien de semblable à une onde n'est perceptible dans l'arrivée d'électrons uniques sur le plan d'observation. Ce n'est qu'après l'arrivée de peut-être des dizaines de milliers d'électrons qu'un motif interprétable comme une interférence ondulatoire émerge.

Notez que l'auteur écrit correctement "wave-like", car aucune onde réelle n'est détectée dans l'expérience , seul un modèle statistique est observé dans le détecteur.

@annaV a écrit une excellente remarque sur notre compréhension moderne de cette expérience. J'ajouterai que les progrès récents de la théorie quantique nous permettent de calculer la trajectoire de chaque particule dans l'expérience. Le résultat de la simulation théorique de la particule suivie par chaque particule dans une expérience à double fente est

qui prédit exactement le comportement observé et le motif d'interférence exact dans le double expérience de fente.

Malheureusement, le développement de la mécanique quantique a été en proie à des mythes et des idées fausses. Je recommanderais le manuel Ballentine pour un traitement rigoureux et avancé de la mécanique quantique sans vieilles idées fausses telles que la "dualité onde-particule":

Cette approche remplace les arguments heuristiques mais non concluants basés sur l'analogie et la vague - la dualité des particules, qui frustrent tellement l'étudiant sérieux.

Quantum Mechanics a Modern Development est considéré comme l'un des meilleurs manuels aujourd'hui.

Je pense que vous serez moins confus par les réponses si vous gardez clairement à l'esprit que les équations d'onde sont des équations différentielles spécifiques qui s'appliquent à de nombreux systèmes classiques qui ont été étudiés en détail pendant plus de deux siècles comme ils s'appliquaient à la lumière, au son et aux fluides.

Il se trouve que les équations différentielles qui décrivent pour la première fois le comportement quantifié observé du microcosme, comme l ' équation de Schroedinger, sont également des ondes équations. C'est pourquoi on parle de fonctions d'onde. Mais, et c'est quelque chose qui doit être souligné maintes et maintes fois, ce que les solutions de la mécanique quantique décrivent ne sont pas des ondes de la taille de la "particule" en $ (x, y, z, t) $ mais le probabilité de trouver une "particule" à $ (x, y, z, t) $ ou à quatre vecteurs $ (p_x, p_y, p_z, E) \;. $

Le la terminologie «particule» qui est utile en physique classique comme par exemple dans les molécules d'un gaz parfait, c'est ce qui crée la confusion ici. Nous devrions les appeler des "entités élémentaires" qui peuvent être décrites comme des ondes de probabilité pour certaines manifestations, comme dans l'image à deux fentes de la réponse de Juanrga ici, et parfois comme des particules de comportement classique, c'est-à-dire ayant des coordonnées spécifiques et quatre vecteurs spécifiques décrivant leur mouvement , pour d'autres comportements.

Ces paires de positons d'électrons apparaissent à des $ (x, y, z, t) $ spécifiques avec quatre vecteurs spécifiques dans cette photo de chambre à bulles.

Regardez, le tir d'électrons séquentiels un à la fois dans le montage expérimental à double fente révèle en effet des événements de détection d'électrons uniques sur la plaque de détection; et il est également vrai qu'après de nombreux événements de ce type, un modèle émerge qui est cohérent avec un modèle d'interférence. Le simple fait de dire que le modèle d'interférence résulte du modèle statistique de nombreux événements de détection n'explique pas du tout pourquoi ce modèle se trouve être celui qui est cohérent avec l'interférence des ondes! Les événements de détection uniques sont en effet cohérents avec la nature particulaire de l'électron, mais le diagramme d'interférence d'onde après l'accumulation de nombreux événements uniques de ce type est cohérent avec la nature ondulatoire de l'électron. Plutôt que de rejeter la nature ondulatoire de l'électron, ce qui a été décrit démontre en fait assez clairement la dualité onde-particule que certains ont tenté de nier comme réelle. Le diagramme d'interférence doit être expliqué exclusivement en termes de physique des particules si l'on veut nier la nature ondulatoire de l'électron et je n'ai pas encore vu cela. D'un autre côté, je n'ai pas encore entendu d'explication sur la façon dont une "onde de probabilité" peut présenter une interférence physique réelle s'il ne s'agit que d'une abstraction mathématique. Ainsi, l'aspect ondulatoire de la dualité des particules d'onde doit également être davantage expliqué ou compris.

Bien que tout soit composé de particules, ce ne sont pas vos particules typiques de " boule de billard " car elles ont une phase.

^source

La conséquence de ceci est qu'ils présentent des exemples d ' interférences lorsqu'ils sont correctement configurés. Par exemple:

• Dans l ' expérience de la double fente, les particules frappent l'écran selon des modèles d'interférence au lieu de simples dispersions

• Dans un atome, les électrons sont liés à des orbitales spécifiques qui correspondent à ses fréquences de résonance

et bien d'autres.

En d'autres termes, Young n'avait-il pas tort et Newton avait raison, au lieu que les deux aient raison?

La localisation définit ce que la plupart des physiciens considéreraient comme des particules, c'est-à-dire. oui, l'éther de Newton - la nature débarrassée de son stade inerte. Mais la physique du XXe siècle repose toujours sur la scène inerte et ne peut nier que les ondes sont au cœur du SM. Mais si nous pouvons modifier les mathématiques, est-ce que nous nous débarrassons des ondes (comme le dit quelqu'un au CERN)? Toujours NON . La dualité est un principe profond pour un monde quantique, même si la nature des ondes doit encore être triée dans la théorie de l'information quantique.

Rappelez-vous que le principe d'incertitude d'Heisenberg peut être dérivé en reprenant la règle de de Broglie pour les ondes-matière (résolution limite des longueurs d'onde). Cette utilisation de la masse est plus physique que celle classique, où elle n'est en réalité qu'un paramètre. (Ironiquement, comme vous le savez, c'est Newton (et Descartes et Galilée) qui a initié la confusion du stade inerte). On nous apprend maintenant à penser aux ondes lumineuses dans un «vide» à la Maxwell, mais cela ferait tourner Newton dans sa tombe. Nous devons penser à l'espace-temps d'arrière-plan émergeant des champs em. C'est le point de vue moderne (mais personne ne semble encore le comprendre). Ensuite, les ondes et les particules décrivent deux propriétés distinctes des espaces-temps - une locale (événements) et une non locale (interférence, etc.). Nous supposons que les nouvelles théories nécessitent les deux types d'informations. Tout cela est une simplification excessive, mais voyez comment Newton ne convient qu'aux idées du 20e siècle, et pas au-delà. Ainsi, Young a toujours tort dans le contexte de l'ancien éther, mais la continuité des idées de l'optique classique à QM et QFT ne peut pas être oubliée alors que nous séparons l'idée des fonctions d'onde. Notez également que les expériences historiques ont été très prudentes pour démontrer que les ondes et les particules sont des aspects de la nature sous-jacente - et de notre faible compréhension.

Où est de Broglie maintenant. Le principe d'incertitude dans la théorie des cordes utilise des dualités mathématiques profondes (STU). En principe, il vient d'un principe de Broglie modifié (je ne connais pas de bon ref désolé). Cela va bien au-delà du WPD original, mais je pense que cela souligne l'importance de WPD. Un événement n'est pas juste un point de l'espace-temps classique (car cela n'est pas physique dans une théorie avec incertitude), donc WPD est en un certain sens la meilleure idée que nous ayons pour construire des états d'espace-temps à partir d'informations locales et non locales.

Votre perception de la réalité est basée sur votre QI développé dans le monde quotidien. Ne l'appliquez pas pour comprendre le monde quantique.

Tous les habitants du royaume quantique sont quelque chose que nous n'avons pas encore entièrement compris. Ce ne sont ni des particules ni des ondes ... ce sont autre chose. Nos langues de tous les jours n'ont pas de mots pour nommer ce genre de choses.

L'expérience de la double fente de Young dit que ce sont des ondes (l'expérience de la double fente peut également être réalisée avec des atomes , électrons, etc., pas seulement la lumière). Diffusion Compton & Effet photoélectrique dit que ce sont des particules. Combinant les résultats de toutes les expériences valides, ils possèdent les propriétés des deux particules d'onde & en même temps. Le bon sens peut nier cela, mais c'est vrai.

La version moderne de l'expérience à double fente de Young:
Au cas où vous ne le sauriez pas, quand la lumière à partir de la même source sont passés à travers deux fentes parallèles, un motif d'interférence comme un code à barres est formé sur le deuxième écran. C'est comme une interférence d'onde d'eau.

Dans la version moderne de l'expérience, des détecteurs sensibles sont placés sur de nombreux endroits du deuxième écran pour compter l'arrivée des photons. Les résultats sont intéressants: c'est le même que celui du résultat original de Young. La bande blanche obtient un nombre très élevé de photons La bande noire d'& n'obtient presque aucun photon. Mais le problème est le suivant: les interférences sont une propriété des ondes. Comment cela peut-il être avec le modèle de particules? Il n'y a pas de coordination entre les photons. Ils sont totalement seuls. Comment un photon peut-il savoir où son compagnon photon atterrirait? Eh bien, la solution à cela est un peu délicate. Voir ci-dessous.

Pour visualiser plus clairement le concept de dualité, regardez l'explication moderne de l'expérience à double fente de Young avec l ' équation de Schrödinger: La lumière se révèle soit comme un flux de particules, soit comme une onde. Nous ne voyons pas les deux côtés de la médaille en même temps. Ainsi, lorsque nous observons la lumière comme un flux de particules, il n'y a pas d'onde en existence pour informer ces particules sur la façon de se comporter & vice versa. Pour résoudre le problème, Erwin Schrödinger a proposé une idée (les physiciens s'y sont lancés au départ, mais cela a changé la donne de toute la physique). Il a imaginé une onde mathématique abstraite qui se propage dans l'espace, rencontre des obstacles et se réfléchit et se transmet, tout comme une onde d'eau se répandant sur un étang. Dans les endroits où la hauteur de la vague était grande, la probabilité de trouver une particule était la plus élevée, et dans les endroits où elle était petite, la probabilité était la plus faible.
Avec la vague de probabilité décrite par l'équation de Schrödinger, on peut voir cette propriété extraordinaire de photon: Le photon pouvant être transmis soit par la fente 1, soit par la fente 2, l'équation de Schrödinger doit permettre l'existence de deux ondes, l'une correspondant au photon passant par la fente 1 et l'autre correspondant au photon passant par la fente 2. Rien d'étonnant ici. Cependant, si deux ondes sont autorisées à exister, une superposition de celles-ci est également autorisée. Pour les vagues en mer, une telle combinaison n'a rien d'extraordinaire. Mais, ici, la combinaison correspond à quelque chose d'extraordinaire: le photon transmis par les deux fentes simultanément!

La même chose est vraie pour tout autre habitant du monde quantique. Cela signifie qu'un atome, un électron, etc. peut exister à plus d'un endroit à la fois. & fait plusieurs choses à la fois (les fondamentaux de l'ordinateur quantique à venir). Si vous voyez le modèle de particules de cette façon (ce qui est correct à 100%), votre bon sens ne rejettera pas le modèle d'onde.

Permettez-moi d'abord de vous montrer cet exemple, on en trouve beaucoup sur le net:

Ici, les détecteurs sont les faces de la boîte où se trouve le cylindre est. La plupart du temps, cet exemple est utilisé pour illustrer la dualité de particule d'onde de dualité. Et comme on peut le voir, les détecteurs peuvent détecter un cercle (dans le détecteur jaune) ou un carré (dans le détecteur bleu). Mais le cylindre n'est pas un carré, pas un cercle, et pas plus les deux en même temps. C'est juste un cylindre.

Donc, en réalité, il n'y a pas vraiment de dualité de particule d'onde.

Ce que nous pouvons dire, c'est plutôt ceci: en physique, nous essayons de trouver l'équation qui régit le comportement des choses, et pour cela nous utilisons les mathématiques, et dans tous les cas nous disons (et nous faut dire si c'est une approximation) tout se passe comme si (voici le point expliqué ci-dessous) c'est ceci ou cela.

Explication:

Considérez juste une chose simple que nous pouvons faire en mécanique. Si vous voulez savoir ce qui est arrivé à un objet si vous le jetez en l'air. Si vous considérez que leur poids n'est que force et pas plus, vous constaterez que son chemin est une parabole. Et si vous faites un film de votre objet en l'air, et que vous regardez sa position image par image, vous conclurez " tout se passe comme si le chemin de mon objet est une parabole." Mais en réalité c'est faux, il y a des frictions dues à l'air, et la terre tourne alors il y a une force d'inertie etc ... Puis avec le temps on obtient de plus en plus de précision dans notre calcul, et si tu connais différentes équations pour votre chemin et si vous avez un très bon détecteur (au lieu de vos yeux) vous aurez la possibilité de dire "ah ouais c'est comme si tout se passe comme cette solution de cette équation essayez de représenter.

Revenons maintenant à la dualité. Nous avons des équations qui expliquent plus ou moins bien ce qui s'est passé en mécanique quantique. Et pour certaines solutions de certaines équations, nous pouvons dire dans l'expérience de Young que tout se passe comme si les "particules" étaient des ondes, et pour l'effet photoélectrique, nous pouvons dire que tout se passe comme si les "particules" étaient des particules. Mais en réalité, nous ne savons pas ce qu'ils sont exactement. Et comme on le voit avec le cylindre, on peut conclure qu'il devrait être possible que les "particules" ne soient pas des particules ou des ondes et pas plus les deux en même temps.

Quand Einstein essayait d'expliquer les phénomènes photoélectriques, il ne représentait pas les photons comme des particules, mais comme une densité d'énergie diffusée dans un tout petit espace en passant (ici c'est difficile pour moi de traduire du français, je demandera à un ami et changera plus tard si c'est faux) une onde électromagnétique qui est la lumière. Et le photon est simplement représenté comme l'énergie qu'il transporte.

En conclusion, ce que l'on peut dire c'est que la dualité de particule d'onde n'est pas vraiment réelle, parfois pour résoudre un problème il sera plus facile de considérer que la "particule" est une onde car les équations fonctionnent mieux avec, et pour certains autres problèmes, nous les considérerons comme des particules pour les mêmes raisons. Mais nous ne savons pas ce qu'ils sont exactement, et ils sont définis en mathématiques a une densité de probabilité, et dans la réalité tout se passe comme si c'était le cas, mais en réalité (sans mesure, car comme vous pouvez voir dans mon exemple du cyclinder, la mesure transforme la réalité en quelque chose de vraiment différent, ici des objets à deux dimensions pour un en trois dimensions) cela doit être quelque chose de vraiment différent de cela, nous ne pouvons jamais voir, ou jamais imaginer parce que notre cerveau est trop limité.

Je dirais à mon humble avis que, en parlant de photons (puis en généralisant): Newton a montré que la lumière se comportait comme une particule, tandis que Huygens montrait que la lumière se comportait comme une onde. Les deux ont / avaient sûrement raison, puisqu'ils viennent de le montrer! Ce que l'on entend par "comportement des vagues" ou "comportement des particules" peut être remis en question, mais je suppose que tout le monde ici est à peu près d'accord sur ce à quoi je fais référence.

La mécanique quantique (QM) vient de mettre fin au combat en unifiant le image et montrant que les deux descriptions sont pertinentes aux états de la matière! QM montre qu'une particule est décrite par une fonction d'onde (tout le monde ici serait d'accord là-dessus), et donc par une onde. Bien que la fonction d'onde ne soit certainement pas l'onde classique conventionnelle, elle manifeste sûrement des propriétés d'onde, comme la phase et l'interférence; ce sont exactement ce que nous sommes tous d'accord ici pour les renvoyer au "comportement des particules".

Sur ce qui précède, je pense que tout le monde est d'accord. Ce que certains d'entre nous pourraient avoir des opinions différentes, ce sont des déclarations telles que "lorsque le comportement des particules est détecté, le comportement des ondes ne peut pas être affiché" et vice versa. Ce principe d'exclusion est en quelque sorte évanescent et doit définir précisément ce que nous entendons par comportement de particule ou d'onde. Habituellement, les définitions sur lesquelles reposent les expériences sont les suivantes: "les particules" sont détectées à une position définie, tandis que les ondes interfèrent ". Il a été affiché que lorsque vous détectez" dans quelle direction "la particule est passée (comportement des particules), les interférences disparaissent. Dès que vous effacez ces informations, des interférences apparaissent. Si nous limitons le principe d'exclusion à cela, je crois à nouveau que tout le monde ici est d'accord.

Je préfère y répondre de cette façon.La particule x ou l'onde x peut être une particule et ce peut être une onde mais pas mesurée en même temps.La dualité, je crois, fait référence aux mathématiques.Le calcul est cohérent dans les deux cas.Les mathématiques n'ont pas de description du moment où cette entité doit être une particule ou une onde si elles sont mesurées en même temps.Je ne pense pas qu'aucune expérience ait mesuré la nature des particules et la nature des vagues en même temps.Comme par exemple dans l'expérience de la double fente, vous ne voyez pas le tube multiplicateur photo cliquant sur un photon en même temps que vous voyez un motif d'interférence au premier plan, n'est-ce pas?La dualité existe mais il n'y a rien qui dicte que la dualité ne puisse pas suivre la loi du milieu exclu.