L’expérience de la double fente est l’une des expériences les plus célèbres en physique et certainement l’une des plus étranges. Il démontre que la matière et l’énergie (comme la lumière) peuvent présenter à la fois des caractéristiques ondulatoires et particulaires – connues sous le nom de dualité particule-onde de la matière – selon le scénario, selon le site de communication scientifique Interesting Engineering.
Selon l’Université du Sussex, le physicien américain Richard Feynman a qualifié ce paradoxe de mystère central de la mécanique quantique.
Nous savons que le monde quantique est étrange, mais l’expérience à deux fentes amène les choses à un tout autre niveau. L’expérience a laissé les scientifiques perplexes pendant plus de 200 ans, depuis que la première version a été réalisée pour la première fois par le scientifique britannique Thomas Young en 1801.
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Comment fonctionne l’expérience de la double fente ?
Christian Huygens a été le premier à décrire la lumière comme se déplaçant par vagues tandis qu’Isaac Newton pensait que la lumière était composée de minuscules particules selon l’observatoire de Las Cumbres. Mais qui a raison ? Le polymathe britannique Thomas Young a conçu l’expérience de la double fente pour mettre ces théories à l’épreuve.
Pour apprécier la nature vraiment bizarre de l’expérience de la double fente, nous devons d’abord comprendre comment les ondes et les particules agissent lorsqu’elles traversent deux fentes.
Modèles d’interférence des vagues
Lorsque Young a réalisé pour la première fois l’expérience de la double séparation en 1801, il a découvert que la lumière se comportait comme une onde.
Premièrement, si nous devions faire briller une lumière sur un mur avec deux fentes parallèles – et par souci de simplicité, disons que cette lumière n’a qu’une seule longueur d’onde.
Au fur et à mesure que la lumière passe à travers les fentes, chacune, à son tour, devient presque comme une nouvelle source de lumière. De l’autre côté du diviseur, la lumière de chaque fente diffracte et chevauche la lumière de l’autre fente, interférant les unes avec les autres.
Selon l’Université de Stony Brook, toute onde peut créer un motif d’interférence, qu’il s’agisse d’une onde sonore, d’une onde lumineuse ou d’ondes à travers un plan d’eau. Lorsqu’une crête de vague frappe un creux de vague, elles s’annulent – ce que l’on appelle des interférences destructrices – et apparaissent sous la forme d’une bande sombre. Lorsqu’une crête frappe une crête, elles s’amplifient mutuellement – appelées interférences constructives – et apparaissent sous la forme d’une bande lumineuse. La combinaison de bandes sombres et lumineuses est connue sous le nom de motif d’interférence et peut être vue sur l’écran du capteur en face des fentes.
Ce modèle d’interférence était la preuve dont Young avait besoin pour déterminer que la lumière était une onde et non une particule comme Newton l’avait suggéré.
Mais ce n’est pas toute l’histoire. La lumière est un peu plus compliquée que cela, et pour voir à quel point elle est vraiment étrange, nous devons également comprendre quel motif une particule ferait sur un champ de capteur.
Modèles de particules
Si vous deviez effectuer la même expérience et tirer des grains de sable ou d’autres particules à travers les fentes, vous vous retrouveriez avec un motif différent sur l’écran du capteur. Chaque particule passerait par une fente et se retrouverait en ligne à peu près au même endroit (avec un peu de propagation en fonction de l’angle auquel la particule passait à travers la fente).
De toute évidence, les ondes et les particules produisent un motif très différent, il devrait donc être facile de faire la distinction entre les deux, n’est-ce pas ? Eh bien, c’est là que l’expérience de la double fente devient un peu étrange lorsque nous essayons de réaliser la même expérience mais avec de minuscules particules de lumière appelées photons. Entrez dans le royaume de la mécanique quantique.
Expérience à double fente : Mécanique quantique
Le plus petit constituant de la lumière est constitué de particules subatomiques appelées photons. En utilisant des photons au lieu de grains de sable, nous pouvons réaliser l’expérience de la double fente à l’échelle atomique.
Si vous bloquez l’une des fentes, il ne s’agit donc que d’une expérience à fente unique et que vous envoyez des photons à l’écran du capteur, les photons apparaîtront sous forme de points d’épingle sur l’écran du capteur, imitant les motifs de particules produits par le sable dans le précédent Exemple. À partir de cette preuve, nous pourrions suggérer que les photons sont des particules.
Maintenant, c’est là que les choses commencent à devenir bizarres.
Si vous débloquez la fente et que vous tirez des photons à travers les deux fentes, vous commencez à voir quelque chose de très similaire au motif d’interférence produit par les ondes dans l’exemple de la lumière. Les photons semblent avoir traversé la paire de fentes agissant comme des ondes.
Mais que se passe-t-il si vous lancez des photons un par un, en laissant suffisamment de temps entre eux pour qu’ils n’aient aucune chance d’interférer les uns avec les autres, se comporteront-ils comme des particules ou des ondes ?
Au début, les photons apparaissent sur l’écran du capteur de manière dispersée au hasard, mais à mesure que vous en tirez de plus en plus, un motif d’interférence commence à émerger. Chaque photon par lui-même semble contribuer au comportement global semblable à une onde qui se manifeste par un motif d’interférence sur l’écran – même s’ils ont été lancés un à la fois afin qu’aucune interférence entre eux ne soit possible.
C’est presque comme si chaque photon était “conscient” qu’il y a deux fentes disponibles. Comment? Est-ce qu’il se divise en deux, puis se rejoint après la fente, puis frappe le capteur ? Pour étudier cela, les scientifiques ont mis en place un détecteur capable de dire par quelle fente le photon passe.
Encore une fois, nous tirons des photons un par un sur les fentes, comme nous l’avons fait dans l’exemple précédent. Le détecteur constate qu’environ 50% des photons sont passés par la fente supérieure et environ 50% par le bas, et confirme que chaque photon passe par une fente ou l’autre. Rien de trop inhabituel là-bas.
Mais lorsque nous regardons l’écran du capteur sur cette expérience, un schéma différent émerge.
Ce motif correspond à celui que nous avons vu lorsque nous avons tiré des particules à travers les fentes. Il semble que la surveillance des photons les incite à passer du modèle d’interférence produit par les ondes à celui produit par les particules.
Si la détection de photons à travers les fentes affecte apparemment le motif sur l’écran du capteur, que se passe-t-il si nous laissons le détecteur en place mais l’éteignons ? (Chut, ne dites pas aux photons que nous ne les espionnons plus !)
C’est là que les choses deviennent vraiment, vraiment bizarres.
Mêmes fentes, mêmes photons, même détecteur, juste éteint. Verrons-nous le même motif semblable à des particules ?
Non. Les particules forment à nouveau un motif d’interférence ondulatoire sur l’écran du capteur.
Les atomes semblent agir comme des ondes lorsque vous ne les observez pas, mais comme des particules lorsque vous les observez. Comment? Eh bien, si vous pouvez répondre à cela, un prix Nobel vous attend.
Dans les années 1930, les scientifiques ont proposé que la conscience humaine puisse affecter la mécanique quantique. Le mathématicien John Von Neumann l’a postulé pour la première fois en 1932 dans son livre “Les fondements mathématiques de la mécanique quantique”. Dans les années 1960, le physicien théoricien Eugene Wigner a conçu une expérience de pensée appelée l’ami de Wigner – un paradoxe en physique quantique qui décrit les états de deux personnes, l’une menant l’expérience et l’observateur de la première personne, selon le magazine scientifique Popular Mechanics. L’idée que la conscience d’une personne effectuant l’expérience peut affecter le résultat est connue sous le nom d’interprétation Von Neumann – Wigner.
Bien que quelques personnes croient encore à une explication spirituelle du comportement de la mécanique quantique, y compris l’auteur et défenseur de la médecine alternative Deepak Chopra, une majorité de la communauté scientifique l’a longtemps ignorée.
Quant à une théorie plus plausible, les scientifiques sont perplexes.
De plus – et peut-être encore plus étonnant – si vous configurez l’expérience à double fente pour détecter par quelle fente le photon est passé après que le photon a déjà atteint l’écran du capteur, vous vous retrouvez toujours avec un motif de type particule sur l’écran du capteur, même si le photon n’avait pas encore été détecté lorsqu’il a frappé l’écran. Ce résultat suggère que la détection d’un photon dans le futur affecte le motif produit par le photon sur l’écran du capteur dans le passé. Cette expérience est connue sous le nom d’expérience de gomme quantique et est expliquée plus en détail dans cette vidéo informative du Laboratoire Fermi.
Nous ne comprenons toujours pas exactement comment fonctionne exactement la dualité particule-onde de la matière, c’est pourquoi elle est considérée comme l’un des plus grands mystères de la mécanique quantique.
Historique de l’expérience de la double fente
La première version de l’expérience de la double fente a été réalisée en 1801 par le polymathe britannique Thomas Young, selon l’American Physical Society (APS). Son expérience a démontré l’interférence des ondes lumineuses et a fourni la preuve que la lumière était une onde et non une particule.
Young a également utilisé les données de ses expériences pour calculer les longueurs d’onde de différentes couleurs de lumière et s’est approché très près des valeurs modernes.
Malgré son expérience convaincante selon laquelle la lumière était une onde, ceux qui ne voulaient pas accepter qu’Isaac Newton ait pu se tromper sur quelque chose ont critiqué Young. (Newton avait proposé la théorie corpusculaire, qui postulait que la lumière était composée d’un flux de minuscules particules qu’il appelait corpuscules.)
Selon APS, Young a écrit en réponse à l’un des critiques : « Bien que je vénère le nom de Newton, je ne suis donc pas obligé de croire qu’il était infaillible ».
Depuis le développement de la mécanique quantique, les physiciens reconnaissent désormais que la lumière est à la fois une particule et une onde.
Ressources supplémentaires
Explorez plus en détail l’expérience à double fente avec cet article de l’Université de Cambridge, qui comprend des images de motifs électroniques dans une expérience à double fente. Découvrez la vraie nature de la lumière avec Canon Science Lab. Découvrez des fragments d’énergie qui ne sont ni des ondes ni des particules – mais qui pourraient être les éléments constitutifs fondamentaux de l’univers – dans cet article de The Conversation. Plongez plus profondément dans l’expérience à deux fentes dans cet article publié dans la revue Nature.
Bibliographie
Grangier, Philippe, Gérard Roger et Alain Aspect. “Preuve expérimentale d’un effet d’anticorrélation de photons sur un séparateur de faisceau : une nouvelle lumière sur les interférences à photon unique.” EPL (Lettres Europhysiques) 1.4 (1986): 173.
Thorn, JJ, et al. “Observation du comportement quantique de la lumière dans un laboratoire de premier cycle.” Journal américain de physique 72.9 (2004): 1210-1219.
Ghose, Partha. “Le mystère central de la mécanique quantique.” arXiv preprint arXiv : 0906.0898 (2009).
Aharonov, Yakir et al. “Enfin donner un sens à l’expérience de la double fente.” Actes de l’Académie nationale des sciences 114.25 (2017): 6480-6485.
Peng, Hui. “Observations d’expériences croisées à double fente.” Journal international de physique 8.2 (2020): 39-41.