Ce que nous apprend l’expérience des fentes de Young

Ce que nous apprend l’expérience des fentes de Young

« ”Nous sommes forcés de conclure que les phénomènes constatés n’ont rien à voir avec l’effet de plusieurs photons, mais que c’est au contraire le photon unique qui explique aussi bien la capacité d’interférence des deux rayons que l’absorption en un endroit précis de l’un des deux rayons” écrivait Einstein. Comme l’indiquait Paul Dirac dès 1930 dans ses Principes de la mécanique quantique, et comme Max Born le rappelait dans un ouvrage de 1949 sur le hasard et la causalité, et dans son livre sur les Principes de l’Optique, ainsi que dans une lettre à Einstein, dans un phénomène d’interférence, le photon interfère avec lui-même - et il en va de même en ce qui concerne la particule quantique à laquelle ces propriétés du photon avaient été étendues par de Broglie, par Einstein lui-même, par Schrödinger, Max Born et d’autres… »

Michel Paty, dans « Einstein et la pensée de la matière »

Cette expérience a d’abord servi à démontrer le caractère ondulatoire de la lumière (production d’interférences) puis aussi le caractère ondulatoire de la matière qui produit les mêmes franges d’interférences. Finalement, elle est une des preuves de la dualité onde/corpuscule de la physique quantique. L’interprétation quantique de l’expérience repose sur le fait qu’un photon individuel se retrouve dans un état superposé à la suite du franchissement des fentes. On peut interpréter ce fait en disant que le photon est passé par les deux fentes en même temps.

Si l’on menait la même expérience avec des balles de mitrailleuse, comme l’explique Feynman, on aurait une répartition bien caractéristique dans les deux cas. En remplaçant les balles par des vagues, on verrait des figures de diffraction et d’interférence pour la répartition de l’énergie des vagues, bien différentes de celles produites par les balles.

Si l’on fait l’expérience avec des électrons et des fentes de taille et séparation adéquates, la double nature ondulatoire et corpusculaire des électrons se manifeste alors clairement. Si les deux fentes sont ouvertes, on voit les impacts individuels des électrons se rassembler en formant des franges d’interférence. Si l’on ouvre une seule fente, la répartition obtenue, bien que toujours formée d’impacts individuels, ressemble à celle obtenue non avec des ondes, mais avec des balles de mitrailleuse.

Cette expérience fut réalisée pour la première fois par Thomas Young en 1801 et permit de comprendre le comportement et la nature de la lumière. Sur un écran disposé en face des fentes de Young, on observe un motif de diffraction qui est une zone où s’alternent des franges sombres et illuminées.

Cette expérience permet alors de mettre en évidence la nature ondulatoire de la lumière. Elle a été également réalisée avec de la matière, comme les électrons, neutrons, atomes, molécules, avec lesquels on observe aussi des interférences. Cela illustre la dualité onde-particule : les interférences montrent que la matière présente un comportement ondulatoire, mais la façon dont ils sont détectés (impact sur un écran) montre leur comportement particulaire.

Avec les fentes de Young, des fentes assez proches l’une de l’autre, on a démontré qu’un photon unique ne peut passer que par une seule fente mais il n’en interfère pas moins avec lui-même comme s’il avait traversé par les deux fentes, ce qui est un résultat renversant que devait expliquer la physique quantique…

Le paradoxe des fentes de Young : les particules passent dans deux fentes et atteignent un écran. Elles forment des franges d’interférence (propriété que l’on croyait réservée aux ondes) alors qu’elles sont particulaires... C’est la preuve d’une propriété tout à fait contre-intuitive : celle de la dualité onde-corpuscule.

Lorsque l’on fait passer une particule élémentaire (ou un photon) dans le dispositif dit des fentes de Young (voir les schémas au début de ce texte), on détecte en sortie la particule sur un écran. On remarque que les arrivées successives dessinent des interférences (comme dans les phénomènes ondulatoires) mais les arrivées sont ponctuelles comme en physique particulaire. Le caractère de dualité onde-corpuscule est bien confirmé. Ce dispositif souligne de multiples paradoxes dont le plus important est le fait que la particule interfère avec… elle-même puisqu’il y a interférence même si on envoit les particules une par une ! La position de la particule à l’arrivée sur l’écran est déterminée par l’interférence du nuage de polarisation de la particule avec lui-même et non par l’interférence de la particule de masse au repos avec elle-même, ce qui n’aurait aucun sens. C’est bien le nuage de polarisation qui détermine où va arriver la particule. Si on cherche à voir par quel trou la particule est passée en illuminant un des trous, on casse le nuage de polarisation qui passe par ce trou et on casse aussi les interférences sur l’écran. Si on dispose un solénoïde à la sortie des fentes de Young et avant l’écran, les interférences sont décalées. C’est l’effet Aharonov-Böhm. Cet effet a lieu même dans la zone intérieure du solénoïde où il n’y a pourtant pas de champ magnétique. Cela démontre que les interférences sont une action du vide car c’est le potentiel vecteur électromagnétique qui agit et non le champ électromagnétique.

L’expérience des fentes de Young (une émission peut passer dans l’un des deux trous et on constate des franges d’interférence - alternativement claire et sombre) semblait trancher dans le sens ondulatoire. Cela a été le contraire puisque les particules de lumière, les photons, peuvent être envoyés un par un et captés un par un sur l’écran. Cependant, même si l’émission est réalisée ainsi, photon par photon, sur l’écran les figures d’interférence se réalisent progressivement à partir d’un très grand nombre de photons émis. Cela a complètement cassé l’image des interférences conçues comme un produit de la continuité des ondes. Et ce n’était pas fini : l’expérience de l’effet photoélectrique (un photon suffisamment énergétique arrache des électrons de la matière) a montré le caractère discontinu de la lumière, entraînant la physique quantique vers un renoncement à la continuité aussi bien pour la lumière que pour la matière.

Le photon n’est pas un simple corpuscule "nu". il est entouré de son nuage de particules et antiparticules virtuelles qui le guident. Le corpuscule passe par une seule des deux fentes mais celles-ci étant très proches l’une de l’autre, le nuage, lui, passe par les deux et il guide à l’extérieur le corpuscule en fonction d’une interférence entre les deux parties du nuage de polarisation, parties qui sont passées par chacune des fentes.

Qu’est-ce que l’expérience des fentes de Young et quelle en est la conséquence ?

La célèbre expérience des fentes de Young réalisée au niveau atomique

Les fentes de Young pour vérifier la loi de Gladstone

La dualité onde/corpuscule de la physique quantique