thumb|Les impacts des particules rendent visible l'interférence des ondes, comme dans l'expérience des fentes de Young, par exemple. thumb|upright=1.5|Animation pour comprendre le concept de dualité onde-corpuscule. thumb|Un paquet d'ondes qui représente une particule quantique. thumb|Interférence d'une particule quantique avec elle-même.
En physique, la dualité onde-corpuscule, aussi appelée dualité onde-particule, est un principe selon lequel tous les objets physiques peuvent présenter parfois des propriétés d'ondes et parfois des propriétés de corpuscules et de particules. La manifestation de ces propriétés ne dépend pas seulement de l'objet étudié isolément, mais aussi de tout l'appareillage de mesure utilisé. Ce concept fait partie des fondements de la mécanique quantique. Le cas d'école est celui de la lumière, qui présente deux aspects complémentaires selon les conditions d'expérience : elle apparaît soit ondulatoire, d’où le concept de longueur d'onde, soit corpusculaire, d'où le concept de photons.
Cette dualité démontre en réalité l'inadéquation de chacune des conceptions classiques de « corpuscules » ou d'« ondes » pour décrire le comportement des objets quantiques. L'idée de la dualité prend ses racines dans un débat remontant aussi loin que le , quand s'affrontaient les théories concurrentes de Christian Huygens, qui considérait que la lumière était composée d'ondes, et d'Isaac Newton, qui considérait la lumière comme un flot de corpuscules. La dualité onde-corpuscule est introduite en par Albert Einstein pour la lumière. À la suite des travaux d'Einstein, de de Broglie et de bien d'autres, les théories scientifiques modernes accordent à tous les objets une double nature d'onde et de corpuscule, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu'à l'échelle des systèmes quantiques.
L'électrodynamique quantique donne à la lumière un aspect corpusculaire, et montre par des propriétés probabilistes que les photons peuvent avoir un comportement ondulatoire.
Approches vulgarisées
Apparente incompatibilité La dualité onde-corpuscule vient du fait que les analogies classiques de l'onde (associée à une vague sur l'eau) et du corpuscule (associé à une bille) sont incompatibles : intuitivement et ontologiquement, elles ne peuvent caractériser un même objet.
Le phénomène d'une onde sur l'eau peut certes être considéré compatible avec le caractère corpusculaire des molécules composant l'eau ; néanmoins il s'agit là d'un phénomène d'échelle, le caractère ondulatoire observé sur l'eau découlant de la quantité de molécules d'eau composant le milieu, et non de chaque molécule.
Or au début de la physique quantique, les expériences montraient que les phénomènes observés présentaient bel et bien intrinsèquement ces deux propriétés apparemment opposées.
+ Propriétés macroscopiques des ondes et corpuscules Corpuscule OndePosition ou interaction.Localisée, d'extension définie.Délocalisée, d'extension infinie dans le temps et l'espace.Propagation.Trajectoire continue, avec une vitesse définie et observable.Diffusion en même temps dans toutes les directions (son « moment » virtuel n'est pas directement observable).Dénombrabilité et séparabilité.L'objet est dénombrable, et séparable en objets distincts.L'objet est indénombrable et inséparable en objets distincts.
Métaphore du cylindre thumb|Métaphore du cylindre : objet ayant à la fois les propriétés d'un disque et d'un rectangle.
La métaphore du cylindre est l'exemple d'un objet ayant des propriétés apparemment inconciliables. Il serait à première vue déroutant d'affirmer qu'un objet ait à la fois les propriétés d'un disque et d'un rectangle : sur un plan, un objet est soit un disque, soit un rectangle.
Mais si l'on considère un cylindre : une projection parallèlement à l'axe du cylindre donne un disque, et une projection perpendiculairement à cet axe donne un rectangle.
De la même manière, « onde » et « corpuscule » sont des manières de voir les choses et non les choses en elles-mêmes. Le terme de dualité est alors assez « contradictoire », signifiant qu'il existe deux choses différentes alors qu'il s'agit bien de l'unification de deux domaines de la physique : les ondes et l'aspect corpusculaire.
Par ailleurs, dans la description mathématique de la physique quantique, le résultat de la mesure est similaire à une projection géométrique (notion d'observable : l'état de l'objet est décrit par des nombres que l'on peut voir comme des coordonnées dans une base vectorielle, et en géométrie euclidienne, les coordonnées sont la projection de l'objet sur les axes de référence).
C’est l’absence d’équivalent macroscopique auxquels se référer qui incite à penser les objets quantiques comme possédant des attributs contradictoires. Il serait inexact de dire que la lumière (comme tout autre système quantique d’ailleurs) est à la fois une onde et un corpuscule, elle n’est ni l’un, ni l’autre. Le manque d'un vocabulaire adéquat et l'impossibilité de se faire une représentation mentale intuitive des phénomènes à petite échelle nous font voir ces objets comme ayant une nature, par elle-même, antinomique.
Pour lever cet apparent paradoxe et insister sur l'imperfection de nos concepts classiques d'onde et de corpuscule, les physiciens Jean-Marc Lévy-Leblond et Françoise Balibar ont proposé d'utiliser le terme de « quanton » pour parler d'un objet quantique. Un quanton n'est ni une onde, ni un corpuscule, mais peut présenter les deux aspects selon le principe de complémentarité de Bohr.
La gnoséologie cartésienne utilise cette idée pour démontrer que nos sens nous trompent. Descartes prend cet exemple : Descartes utilise la même métaphore : des objets ou des formes géométriques différents ayant les propriétés de l'un et de l'autre (mais ils ne sont ni l'un, ni l'autre).
Histoire
La dualité onde-corpuscule s'est imposée au terme d'une longue histoire où les aspects purement ondulatoires et corpusculaires ont été tour à tour privilégiés. Ces aspects ont tout d'abord été mis en évidence avec les théories de la lumière, avant d'être étendus à tous les objets physiques.
Huygens et Newton
La première théorie complète de la lumière a été établie par le physicien néerlandais Christian Huygens au . Il proposait une théorie ondulatoire de la lumière et a, en particulier, démontré que les ondes lumineuses pouvaient interférer de manière à former un front d'onde se propageant en ligne droite. Toutefois, sa théorie possédait certaines limitations en d'autres domaines et fut bientôt éclipsée par la théorie corpusculaire de la lumière établie à la même époque par Isaac Newton.
Newton proposait une lumière constituée de corpuscules, expliquant ainsi simplement les phénomènes de réflexion optique. Au prix de complications considérables, cette théorie pouvait également expliquer les phénomènes de réfraction à travers une lentille, et de dispersion d'un faisceau lumineux à travers un prisme.
Bénéficiant de l'immense prestige de Newton, cette théorie ne fut guère remise en question pendant plus d'un siècle.
Fresnel, Maxwell et Young
Au début du , les expériences de diffraction faites par Thomas Young (fentes de Young) et Augustin Fresnel (miroirs de Fresnel) ont démontré la pertinence des théories de Christian Huygens : ces expériences prouvèrent que quand la lumière est envoyée sur un réseau de diffraction, on observe un motif d'interférence caractéristique, très semblable aux motifs résultant de l'interférence d'ondulations sur l'eau ; la longueur d'onde de la lumière peut être calculée à partir de tels motifs.
Le point de vue ondulatoire n'a pas remplacé immédiatement le point de vue corpusculaire, mais s'est imposé peu à peu à la communauté scientifique au cours du , surtout grâce à l'explication en 1821 par Augustin Fresnel du phénomène de polarisation de la lumière que ne pouvait expliquer l'autre approche, puis à la suite de l'expérience menée en 1850 par Léon Foucault sur la vitesse de propagation de la lumière. Ces équations furent vérifiées par maintes expériences et le point de vue de Huygens devint largement admis.
James Maxwell, dans la seconde moitié du , expliqua la lumière en tant que propagation d'ondes de perturbations électromagnétiques avec ses équations de Maxwell.
Einstein et les photons
En 1905, Albert Einstein réintroduisit l'idée que la lumière pouvait avoir une nature corpusculaire : il expliqua l'effet de seuil de l'effet photoélectrique en postulant l'existence de quanta d'énergie lumineuse. Einstein admit que la fréquence (nu) de cette lumière est liée à l'énergie des photons par la relation de Planck :
où est la constante de Planck ().
Cette relation prit le nom de relation de Planck-EinsteinDaniel Fredon, Salvério Calléa et Didier Magloire, Toute la MPSI en fiches : Maths.Physique.Chimie, Dunod, , 2013, 512 , 219..
Cette vision fut contestée très longtempsThèse de Louis de Broglie, 28-29., en particulier parce qu'elle ne s'accorde pas facilement avec les comportements spécifiquement ondulatoires tels que la diffraction.
De Broglie
En 1924, dans sa thèseThèse de Louis de Broglie., Louis de Broglie affirma que toute matière (et pas seulement la lumière) a une nature ondulatoire. Il associa la quantité de mouvement d'une particule à une longueur d'onde , appelée longueur d'onde de de Broglie : .
C'est une généralisation de la relation de Planck-Einstein indiquée ci-dessus, car la quantité de mouvement (ou l'impulsion) d'un photon est donnée par où est la vitesse de la lumière dans le vide, et (si on remplace et dans l'équation de de Broglie, on retrouve la relation de Planck-Einstein).
La formule exprimée par De Broglie fut confirmée trois ans après par Clinton J. Davisson et Lester H. Germer. Ceux-ci dirigèrent un faisceau d'électrons, qui contrairement aux photons ont une masse, vers un réseau de diffraction cristallin : les motifs d'interférence attendus purent ainsi être observés. thumb|200px|Exemple de molécule de fullerène. Des expériences semblables ont été entreprises depuis avec des protons et même avec des molécules entières, avec notamment l'expérience d'Estermann et Otto Stern en 1929, et la formule a été confirmée dans tous les cas.
De Broglie reçut en 1929 le prix Nobel de physique pour son hypothèse, qui influença profondément la physique de cette époque.
En 1999, des chercheurs de l'université de Vienne ont fait diffracter du fullerène (molécule C60). Dans cette expérience, la longueur d'onde de de Broglie était de alors que la molécule a un diamètre d'environ , soit supérieur. C'était alors l'objet physique le plus complexe qui montrait un comportement ondulatoire..
Électrodynamique quantique Avec un photomultiplicateur, il est possible de détecter un photon isolé, et un photon de même couleur produit toujours dans cet appareil un événement de même intensité. Plus généralement, tous les appareils que l'on a fabriqués pour la détection de faibles intensités lumineuses amènent à la même conclusion : la lumière est faite de particules, alors que toutes ses manifestations dans la vie quotidienne semblent dues à des phénomènes ondulatoires.