L'impossible traversée

Une barrière d'énergie

Imagine une bille lancée vers une colline. Si son énergie cinétique est plus petite que l'énergie qu'il faudrait pour atteindre le sommet, elle monte un peu, ralentit, puis redescend. Elle ne passe pas de l'autre côté. C'est le bon sens, et c'est aussi la loi de la physique classique.

   Vue classique :
                          _____
                         /     \\
       bille  --o-->    /       \\
   _______________....-/         \\-....__________
                    (elle monte, ralentit, REDESCEND)

   Energie de la bille < hauteur de la barriere  ->  elle rebrousse chemin

On appelle cette colline une barrière de potentiel : une région où il faudrait une énergie que la particule n'a pas. Classiquement, une particule sans l'énergie suffisante est coincée d'un côté. Toujours. Sans exception.

Le monde quantique dit autre chose

À l'échelle quantique, la particule n'est pas une bille : c'est une onde (rappel de la dualité). Et une onde ne s'arrête pas net à un mur : elle y pénètre un peu, en s'affaiblissant progressivement. Si la barrière est assez fine, l'onde n'a pas le temps de s'éteindre complètement : une petite partie ressort de l'autre côté.

   Vue quantique :
                          _________
        onde incidente   |         |    onde transmise
        \\/\\/\\/\\/\\--->|~~~~~~~~~|--->  /\\/\\  (plus faible,
                         |  \\      |            mais NON NULLE !)
   ______________________|   '-.__ |________________
                         barriere
                         (l'onde s'affaiblit dedans,
                          mais ne s'annule pas tout a fait)

C'est l'effet tunnel : la particule a une probabilité non nulle de se retrouver de l'autre côté de la barrière, alors qu'elle n'avait pas l'énergie de la franchir. Comme si elle avait creusé un « tunnel » à travers.

Ce n'est pas de la triche énergétique

Attention à un malentendu : la particule ne « prend » pas d'énergie pour sauter par-dessus. Elle ne passe pas par-dessus du tout. Elle traverse, et ressort avec exactement la même énergie qu'à l'entrée. Rien n'est violé — ni la conservation de l'énergie, ni quoi que ce soit. C'est simplement que, pour une onde, « être bloquée » ne veut pas dire « probabilité nulle de l'autre côté ».

Une question de probabilité

L'effet tunnel ne dit pas qu'une particule donnée traversera à coup sûr. Il dit qu'elle a une certaine probabilité de traverser. Sur un très grand nombre de particules, une fraction bien définie passe, le reste rebondit :

   1000 particules arrivent sur la barriere
        |
        +--> quelques-unes TRAVERSENT (effet tunnel)
        |
        +--> la grande majorite REBONDIT

Cette probabilité peut être infime ou notable, selon la barrière — c'est l'objet de la leçon suivante.

En résumé

Classiquement, une particule sans l'énergie suffisante ne peut pas franchir une barrière de potentiel. Mais comme une particule quantique est une onde, elle pénètre la barrière en s'affaiblissant, et si celle-ci est assez fine, une partie ressort de l'autre côté : c'est l'effet tunnel. La particule ne saute pas par-dessus ; elle traverse, avec une certaine probabilité, sans rien violer.