Principe de complémentarité

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« Peu importe à quel point les phénomènes quantiques transcendent les explications de la physique classique, il n'en demeure pas moins que les descriptions que l'on en fera devront être données en termes classiques. L'argument est, simplement, que par « expérience » nous entendons une situation dans laquelle nous pouvons décrire aux autres ce que nous avons fait et appris; par conséquent, la description des dispositifs expérimentaux et les résultats des observations doivent être exprimés dans un langage sans ambiguïté, applicable dans la terminologie de la physique classique. Ce point crucial (...) entraîne l'impossibilité de toute séparation tranchée entre le comportement des objets atomiques et l'interaction avec les instruments de mesure qui servent à définir les conditions dans lesquelles ces phénomènes apparaissent... »
Niels Bohr[1]

Le principe de complémentarité fut introduit à Copenhague par Niels Bohr suite au principe d'indétermination de Werner Heisenberg comme approche philosophique aux phénomènes apparemment contradictoires de la mécanique quantique, par exemple : celui de la dualité onde-corpuscule. Dans sa forme la plus simpliste, il dispose qu'un « objet quantique » ne peut se présenter que sous un seul de ces deux aspects à la fois. Bohr a montré que le principe selon lequel différents aspects d'un système ne peuvent être perçus simultanément, validé dans d'autres disciplines intellectuelles, s'appliquerait désormais dans le domaine de la physique, alors qu'il était absent de la physique classique[2].

Souvent associé à l'école de Copenhague, ce principe est à présent un des concepts fondamentaux de la mécanique quantique. L'expérience des fentes de Young en donne une illustration simple.

Observables complémentaires[modifier | modifier le code]

La position et la quantité de mouvement (p) d'une particule sont dites des observables (ou variables) complémentaires (ou conjuguées) parce qu'il est impossible de mesurer les valeurs des deux quantités simultanément. En effet la position est un aspect corpusculaire, parce qu'elle serait localisée pour une particule ponctuelle classique. La quantité de mouvement par contre peut être considérée comme un aspect ondulatoire, parce qu'elle est reliée à la longueur d'onde (λ) par l'hypothèse de de Broglie (p = h/λ), de sorte qu'une onde monochromatique correspond à une valeur unique de p.

Selon le principe d'incertitude de Heisenberg, une paire d'observables est complémentaire dans ce sens si son commutateur est non-nul.

Expérience des fentes de Young[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Fentes de Young.

L'expérience des fentes de Young est une illustration simple de la notion de complémentarité, souvent présentée comme emblématique des concepts fondamentaux de la physique quantique, ce que fait par exemple Richard Feynman dans son cours de physique (volume 3).

Critiques du principe de complémentarité[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. [H]owever far the [quantum physical] phenomena transcend the scope of classical physical explanation, the account of all evidence must be expressed in classical terms. The argument is simply that by the word "experiment" we refer to a situation where we can tell others what we have done and what we have learned and that, therefore, the account of the experimental arrangements and of the results of the observations must be expressed in unambiguous language with suitable application of the terminology of classical physics. This crucial point...implies the impossibility of any sharp separation between the behaviour of atomic objects [i.e., objects governed by quantum mechanics] and the interaction with the measuring instruments which serve to define the conditions under which the phenomena appear.... (en) Niels Bohr et P. Schilpp (éditeur), Albert Einstein: Philosopher-Scientist, Open Court,‎ 1949, « Discussions with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics »
  2. « By using one particular piece of apparatus only certain features could be made manifest at the expense of others, while with a different piece of apparatus another complementary aspect could be made manifest in such a way that the original set became non-manifest, that is, the original attributes were no longer well defined. For Bohr, this was an indication that the principle of complementarity, a principle that he had previously known to appear extensively in other intellectual disciplines but which did not appear in classical physics, should be adopted as a universal principle »F. A. M. Frescura, B. J. Hiley: Algebras, quantum theory and pre-space, Revista Brasileira de Fisica, Volume Especial, Julho 1984, Os 70 anos de Mario Schonberg, pp. 49-86, p. 2