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Principe de complémentarité

En physique, le principe de complémentarité formulé par Niels Bohr en 1927 est un énoncé relevant de l'interprétation de la mécanique quantique qui vise à expliquer la dualité onde-corpuscule et le principe d'indétermination de Werner Heisenberg. Il consiste à dire que les comportements corpusculaires et ondulatoires qui cohabitent dans les phénomènes quantiques, ainsi que les paires de propriétés incompatibles de par le principe d'indétermination sont en fait des aspects complémentaires d'une même réalité[2]. Puisque les propriétés concernées ne sont pas forcément des contradictoires au sens logique, le sens du mot "complémentaires" est à distinguer de son acception en théorie des ensembles et doit plutôt être entendu comme "mutuellement exclusifs mais devant tous deux être pris en compte pour décrire le phénomène".

« 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]

Il implique en effet qu'un « objet quantique » ne peut se présenter que sous un seul de ces deux aspects à la fois. Historiquement adopté par l'école de Copenhague, il est à présent l'un des principes fondamentaux de l'interprétation standard de la mécanique quantique.

Historique

Niels Bohr a conçu le principe de complémentarité lors de vacances au ski en Norvège en février et , à partir d'une lettre de Werner Heisenberg discutant de son principe d'incertitude. À son retour de vacances, alors que l'article de Heisenberg sur le principe d'incertitude était déjà soumis pour publication, Bohr a convaincu ce dernier que le principe d'incertitude était une manifestation du concept plus profond de complémentarité[3]. Heisenberg a donc ajouté à son article la note suivante :

Bohr a attiré mon attention sur le fait que l'incertitude de notre observation ne découle pas exclusivement de l'apparition de discontinuités, mais est directement liée à l'exigence d'attribuer une validité égale aux expériences très différentes qui apparaissent dans la théorie [corpusculaire] d'une part, et dans la théorie ondulatoire d'autre part.

Bohr a présenté publiquement le principe de complémentarité dans une conférence qu'il a donnée le lors du Congrès international de physique qui s'est tenu à Côme, en Italie, et auquel ont assisté la plupart des grands physiciens de l'époque, à l'exception notable d'Einstein, de Schrödinger et de Dirac. Cependant, ils étaient tous trois présents un mois plus tard lorsque Bohr a à nouveau présenté le principe au cinquième Congrès Solvay à Bruxelles[2].

L'article intitulé "Discussions avec Einstein sur les problèmes épistémologiques de la physique atomique", écrit par Bohr en 1949[4], est considéré par beaucoup comme une description définitive de la notion de complémentarité[5].

Bohr a par la suite étendu son principe à divers domaines des sciences ou de la philosophie, jusqu'à l'ériger en principe universel, voire en véritable philosophie de vie[6] - [7]

Indépendance des propriétés complémentaires

Selon le principe d'incertitude de Heisenberg, deux observables sont complémentaires (ou conjuguées) si leur commutateur est non nul. La position et la quantité de mouvement d'une particule en sont des exemples. Expérimentalement, cela se traduit par le fait qu'il est impossible de mesurer ces deux observables simultanément avec une précision arbitraire. Bien que l'on puisse de prime abord considérer la complémentarité entre position et impulsion comme équivalente avec (ou découlant de) la dualité onde-corpuscule, ces deux paires d'aspects complémentaires sont en réalité indépendants[8] - [9] On ne peut pas rassembler toutes les propriétés complémentaires en deux aspects généraux distincts se manifestant tour à tour.

Expérience des fentes de Young

L'expérience des fentes de Young est une illustration simple de la complémentarité entre les aspects ondulatoire et corpusculaire, 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

Schrödinger considérait le principe de complémentarité comme une façon d'enterrer les objections plutôt que de les résoudre[10].

Notes et références
  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, , « Discussions with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics », p. 209.
  2. (en) N. Bohr, « The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory 1 », Nature, vol. 121, no 3050,‎ , p. 580–590 (ISSN 1476-4687, DOI 10.1038/121580a0, lire en ligne, consulté le )
  3. Baggott, J. E., The quantum story : a history in 40 moments, Oxford University Press, (ISBN 978-0-19-956684-6 et 0-19-956684-4, OCLC 663438460, lire en ligne)
  4. Niels Bohr, « Discussion with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics », dans The Library of Living Philosophers, Volume 7. Albert Einstein: Philosopher-Scientist, Open Court, (lire en ligne), p. 199–241
  5. Simon Saunders, « Complementarity and Scientific Rationality », Foundations of Physics, vol. 35, no 3,‎ , p. 417–447 (ISSN 0015-9018 et 1572-9516, DOI 10.1007/s10701-004-1982-x, lire en ligne, consulté le )
  6. « 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
  7. (en) Tim Maudlin, « The Defeat of Reason », sur Boston Review, (consulté le )
  8. (en) D. Murdoch, « Niels Bohr's philosophy of physics », Cambridge University Press,‎ , p. 67
  9. (en) Michel Bitbol, Schrödinger's Philosophy of Quantum Mechanics, Kluwer Academic Publishers, , p. 213-220
  10. « The interpretation of quantum mechanics: Dublin seminars (1949-1955) and other unpublished essays », Choice Reviews Online, vol. 33, no 07,‎ , p. 33–3975-33-3975 (ISSN 0009-4978 et 1523-8253, DOI 10.5860/choice.33-3975, lire en ligne, consulté le )

Voir aussi

Bibliographie

Articles connexes
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