L'expérience Double Slit de Thomas Young

Tout au long du XIXe siècle, les physiciens ont convenu que la lumière se comportait comme une onde, en grande partie grâce à la célèbre expérience à double fente réalisée par Thomas Young. Poussé par les enseignements de l'expérience et les propriétés ondulatoires qu'elle a démontrées, un siècle de physiciens a recherché le milieu à travers lequel la lumière ondulait, le éther lumineux. Bien que l'expérience soit plus remarquable avec la lumière, le fait est que ce type d'expérience peut être effectué avec n'importe quel type de vague, comme l'eau. Pour le moment, cependant, nous nous concentrerons sur le comportement de la lumière.

Au début des années 1800 (1801 à 1805, selon la source), Thomas Young a mené son expérience. Il a permis à la lumière de passer à travers une fente dans une barrière afin qu'elle se dilate dans les fronts d'ondes de cette fente comme source de lumière (sous Le principe de Huygens). Cette lumière, à son tour, a traversé la paire de fentes dans une autre barrière (soigneusement placée à la bonne distance de la fente d'origine). Chaque fente, à son tour, diffractait la lumière comme si elles étaient également des sources de lumière individuelles. La lumière a heurté un écran d'observation. Ceci est illustré à droite.

Lorsqu'une seule fente était ouverte, elle impactait simplement l'écran d'observation avec une plus grande intensité au centre, puis s'estompait lorsque vous vous éloigniez du centre. Il y a deux résultats possibles de cette expérience:

Interprétation des particules: Si la lumière existe sous forme de particules, l'intensité des deux fentes sera la somme de l'intensité des fentes individuelles.

Interprétation des vagues: Si la lumière existe sous forme d'ondes, les ondes lumineuses auront interférence en vertu du principe de superposition, créant des bandes de lumière (interférence constructive) et d'obscurité (interférence destructrice).

Lorsque l'expérience a été menée, les ondes lumineuses ont effectivement montré ces modèles d'interférence. Une troisième image que vous pouvez visualiser est un graphique de l'intensité en termes de position, qui correspond aux prévisions d'interférence.

À l'époque, cela semblait prouver de façon concluante que la lumière voyageait dans les vagues, provoquant une revitalisation dans la théorie de la lumière de Huygen, qui comprenait un milieu invisible, éther, à travers lequel les vagues se sont propagées. Plusieurs expériences au cours des années 1800, notamment le célèbre Expérience de Michelson-Morley, a tenté de détecter directement l'éther ou ses effets.

Ils ont tous échoué et un siècle plus tard, le travail d'Einstein dans le effet photoélectrique et la relativité a fait en sorte que l'éther n'était plus nécessaire pour expliquer le comportement de la lumière. Encore une fois, une théorie des particules de la lumière a pris le dessus.

Pourtant, une fois le photon la théorie de la lumière est apparue, disant que la lumière ne se déplaçait que dans des quanta discrets, la question est devenue comment ces résultats étaient possibles. Au fil des ans, les physiciens ont pris cette expérience de base et l'ont explorée de plusieurs façons.

Au début des années 1900, la question restait de savoir comment la lumière - qui était désormais reconnue pour voyager en «faisceaux» de particules l'énergie quantifiée, appelée photons, grâce à l'explication d'Einstein de l'effet photoélectrique - pourrait également présenter le comportement des vagues. Certes, un tas d'atomes d'eau (particules) lorsqu'ils agissent ensemble forment des vagues. C'était peut-être quelque chose de similaire.

Il est devenu possible d'avoir une source de lumière qui a été installée de sorte qu'elle émette un photon à la fois. Ce serait, littéralement, comme lancer des roulements à billes microscopiques à travers les fentes. En configurant un écran suffisamment sensible pour détecter un seul photon, vous pouvez déterminer s'il y a ou non des motifs d'interférence dans ce cas.

Une façon de le faire consiste à installer un film sensible et à exécuter l'expérience sur une période de temps, puis à regarder le film pour voir quel est le motif de lumière sur l'écran. Une telle expérience a été réalisée et, en fait, elle correspondait à la version de Young à l'identique - alternant des bandes claires et sombres, résultant apparemment d'une interférence des vagues.

Ce résultat confirme et déroute la théorie des vagues. Dans ce cas, les photons sont émis individuellement. Il n'y a littéralement aucun moyen pour que l'interférence des ondes se produise car chaque photon ne peut traverser qu'une seule fente à la fois. Mais l'interférence des vagues est observée. Comment est-ce possible? Eh bien, la tentative de répondre à cette question a engendré de nombreuses interprétations intrigantes de la physique quantique, de l'interprétation de Copenhague à l'interprétation des mondes multiples.

Supposons maintenant que vous effectuez la même expérience, avec un seul changement. Vous placez un détecteur qui peut dire si le photon passe ou non à travers une fente donnée. Si nous savons que le photon passe à travers une fente, alors il ne peut pas passer à travers l'autre fente pour interférer avec lui-même.

Il s'avère que lorsque vous ajoutez le détecteur, les bandes disparaissent. Vous effectuez exactement la même expérience, mais ajoutez seulement une mesure simple à une phase antérieure, et le résultat de l'expérience change radicalement.

Quelque chose dans le fait de mesurer quelle fente est utilisée a complètement supprimé l'élément ondulatoire. À ce stade, les photons ont agi exactement comme nous nous attendions à ce qu'une particule se comporte. L'incertitude même de la position est liée, d'une manière ou d'une autre, à la manifestation des effets des vagues.

Au fil des ans, l'expérience a été menée de différentes manières. En 1961, Claus Jonsson a réalisé l'expérience avec des électrons, et elle s'est conformée au comportement de Young, créant des modèles d'interférence sur l'écran d'observation. La version de Jonsson de l'expérience a été élue "la plus belle expérience" par Monde de la physique lecteurs en 2002.

En 1974, la technologie est devenue capable de réaliser l'expérience en libérant un seul électron à la fois. Encore une fois, les modèles d'interférence sont apparus. Mais lorsqu'un détecteur est placé au niveau de la fente, l'interférence disparaît à nouveau. L'expérience a de nouveau été réalisée en 1989 par une équipe japonaise qui a pu utiliser un équipement beaucoup plus raffiné.

L'expérience a été réalisée avec des photons, des électrons et des atomes, et à chaque fois le même résultat devient évident - quelque chose sur la mesure de la position de la particule à la fente supprime l'onde comportement. De nombreuses théories existent pour expliquer pourquoi, mais jusqu'à présent, la plupart d'entre elles sont encore des conjectures.