La mystérieuse expérience de la double fente
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En substance, l’univers fonctionnerait à travers deux champs croisés, le premier opérant de façon non locale et le second de façon causale.
L'équipe Macro Editions
En 1800, à l’aide d’une célèbre expérience, le physicien britannique Thomas Young démontra que la lumière était constituée d’ondes en raison des figures d’interférence qu’un faisceau de lumière produit lorsqu’il passe à travers un écran percé de deux fentes.
En 1905, le physicien allemand Albert Einstein démontra également, en découvrant l’effet photoélectrique, que la lumière était composée de particules. Il ne restait dès lors qu’à conclure que la lumière possédait à la fois des propriétés ondulatoires et corpusculaires. Nous observons l’une plutôt que l’autre en fonction du type d’expérience réalisée.
Nous en déduisons donc que le rayonnement électromagnétique a une espèce de « double vie », puisqu’il est représenté aussi bien par des ondes (c’est-à-dire de l’énergie pure) que par des particules (c’est-à-dire de la matière pure), qui ne peuvent toutefois jamais être révélées simultanément : il est possible d’observer l’une ou l’autre, mais pas les deux à la fois.
Cette dualité peut justement s’expliquer par le principe d’incertitude d’Heisenberg qui affirme qu’il est impossible de déterminer simultanément la composante énergétique et la composante matérielle d’un événement quantique donné.
Au vu de cette théorie, matière et énergie, position et vitesse deviennent des « variables conjuguées » (ou complémentaires) et constituent dans leur ensemble la caractéristique d’incertitude permanente des événements qui se vérifient en mécanique quantique.
Figure 1. Représentation intuitive de l’expérience de la double fente, avec formation de franges claires et sombres d’interférence. Extrait de « Molecular Expressions » : http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/interference/doubleslist/
dualité onde-particule
Il est facile de vérifier cette dualité onde-particule en analysant l’expérience de la double fente de Thomas Young dans le détail et à la lumière des connaissances actuelles. Supposons une source lumineuse monochromatique placée derrière un écran percé de deux fentes.
Si nous occultons l’une des deux fentes, la lumière se comporte comme une particule (c’est aussi le cas lorsque les photons heurtent un point quelconque de l’écran), tandis que si les deux fentes restent libres, la lumière se comporte comme une onde.
Le deuxième cas est vraiment le plus spectaculaire si on l’étudie de près : à l’époque, Young ne savait rien de mécanique quantique, il s’est simplement borné à vérifier la formation de franges d’interférence – l’une des propriétés de la lumière, qui se comporte de façon tout à fait identique aux ondes qui se forment à la surface d’un étang lorsque l’on y jette une pierre – derrière l’écran avec les deux fentes.
Si, au contraire, nous lançons deux cailloux dans l’eau, nous obtenons deux fronts d’onde qui interfèrent entre eux. De la même façon, nous obtenons deux fronts d’onde – dans ce cas, électromagnétiques – produits par la lumière lorsqu’elle passe par les deux fentes, lesquelles interfèrent comme dans le cas des deux pierres jetées dans l’eau.
Les franges d’interférence
Jusque-là, la chose ne présente aucune anomalie particulière, si ce n’est qu’une singulière bizarrerie se manifeste lorsque, au lieu de lancer quantité de photons tous ensemble, nous ne lançons qu’un photon à la fois contre l’écran à fentes : il va de soi que nous pouvons le faire, car, grâce à Einstein, nous connaissons également la nature corpusculaire du photon.
Le bon sens nous dirait que le photon simple – étant donné que sa nature corpusculaire (ou rayonnement) fut en son temps vérifiée par Einstein – ne devrait passer qu’à travers une seule des deux fentes.
D’ailleurs, si nous lançons une balle de tennis contre un mur avec deux fenêtres, elle ne pourra clairement passer qu’à travers l’une d’elles. Cependant, nous découvrons que le comportement du photon est absolument déconcertant : il passe à travers les deux fentes en même temps, puis crée des franges d’interférence, en n’interagissant qu’avec lui-même !
Ce qui est troublant, ce n’est pas tant ce mystérieux dédoublement de la particule que l’absolue simultanéité avec laquelle se forment les franges d’interférence, nées d’un seul photon.
En résumé, le photon n’interagit qu’avec lui-même en se trouvant à deux endroits différents en même temps au point de créer l’interférence, et les physiciens sont obligés de reconnaître que c’est comme si le photon « connaissait » les points et les moments exacts où il doit se dédoubler pour donner lieu aux franges d’interférence.
Mais cet événement incroyable s’oppose violemment à tout ce que nous croyons savoir sur la réalité quotidienne, dès l’instant où le fait qu’une même particule puisse se trouver simultanément en deux endroits différents anéantit le principe de causalité pour le remplacer par un principe de synchronicité.
Double fente et mécaniques quantiques
Les résultats de l’expérience de la double fente nous prouvent qu’en mécanique quantique – c’est-à-dire dans le règne des particules élémentaires – le principe de causalité est effectivement violé en raison de très étranges effets de superposition qui sont eux-mêmes une conséquence directe du principe d’incertitude de Heisenberg, selon lequel nous ne pouvons jamais savoir à travers quelle fente le photon voyage : le photon semble en effet avoir voyagé à travers les deux fentes simultanément. Dans le domaine quantique, cette phénoménologie prend le nom d’« intrication », entanglement en anglais.
Dans le cas spécifique de l’expérience de la double fente, ce sont les dédoublements d’un même photon qui s’intriquent dans l’espace et le temps, et la structure la plus intime de la mécanique quantique – celle élaborée avec maestria par le physicien théoricien américain David Bohm – nous indique que le photon atteint des positions bien précises derrière les fentes parce qu’il est littéralement informé de façon « non locale » (c’est-à-dire de façon totalement indépendante de l’espace et du temps) par un « potentiel quantique » qui fonctionne comme un instrument de pilotage de la particule.
Les particules agissent donc en synchronie avec un potentiel quantique, dont la structure n’est pas évidente dans le monde newtonien dans lequel nous vivons, mais qui existe sur un plan invisible en influençant de façon non manifeste notre réalité.
En substance, l’univers fonctionnerait à travers deux champs croisés, de la même manière que le champ électromagnétique décrit par les équations de Maxwell qui comporte un champ électrique et un champ magnétique orthogonaux. Domaine quantique et domaine classique seraient accouplés pareillement, le premier opérant de façon non locale et le second de façon causale. La manière dont les deux domaines s’harmonisent est bien décrite dans la version de Bohm de l’équation de Schrödinger.
La mécanique quantique étudie justement ce mystère de la réalité qui conduit les particules, comme dans le cas de l’expérience de la double fente, à adopter un comportement apparemment insensé.
photon : onde ou particule ?
Cette expérience déconcertante de la mécanique quantique démontre donc qu’un photon se comporte comme une particule si nous occultons l’une des deux fentes ou lorsque nous tentons de l’observer avec un détecteur ou un filtre polarisant, tandis qu’il se comporte comme une onde quand il interfère avec lui-même en passant par les deux fentes en même temps. Mais le phénomène de l’interférence n’est autre qu’une forme expérimentalement établie du principe de superposition de la mécanique quantique.
Le phénomène de l’interférence disparaît immédiatement si nous tentons de mettre un détecteur derrière l’une des deux fentes pour essayer de comprendre à travers quelle fente passe la particule : la figure d’interférence n’apparaît que lorsque le chemin de la particule est inconnu ! Cela nous montre que l’observateur en personne interagit avec l’observé (le photon) en détruisant la superposition quantique.
Le type d’expérience menée peut nous permettre de vérifier la nature d’onde ou de particule d’un photon donné : par exemple, si nous projetons un photon sur un cliché photographique sans fentes, nous obtenons la nature de particule, mais si nous le faisons passer à travers deux fentes, nous obtenons la nature d’onde.
Dans les deux cas, la fonction d’onde d’un état quantique donné s’est effondrée, dans le sens où selon le type d’expérience menée, la nature d’onde ou de particule s’est concrétisée. Mais si nous n’effectuons aucune mesure, la lumière existe en tant que superposition d’onde ou de particule : elle est les deux choses à la fois.
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le don d’ubiquité
Dans les années 70 et 80, il a été prouvé que le comportement manifesté dans l’expérience de la double fente n’est pas seulement une prérogative de particules énergétiques comme les photons, mais aussi de particules de matière comme les électrons et les neutrons.
Les particules de matière témoignent donc parfois de phénomènes ondulatoires, tout comme les particules d’énergie témoignent parfois de phénomènes particulaires. Par ailleurs, les particules de matière, si on les fait passer à travers un écran avec une double fente, puis qu’on les étudie une par une, produisent exactement les mêmes franges d’interférence, justement parce qu’elles interfèrent avec elles-mêmes.
Ces particules aussi ont le don d’ubiquité : elles se trouvent simultanément dans le même espace. Il s’agit là d’une énième situation où se manifeste de façon mystérieuse l’intrication qui, lorsqu’elle comporte l’interférence entre ondes, présente cette caractéristique qui en mécanique quantique est connue sous le nom de « cohérence ».
l'intelligence des particules
On en arrive même à penser à une espèce d’« intelligence » des particules, car lorsqu’une particule traverse simultanément les fentes, elle semble avoir une parfaite conscience du passé et du futur afin de créer la bonne figure d’interférence.
Leur apparente intelligence se manifeste également lorsque nous tentons de les observer, puisqu’à cet instant précis elles changent de comportement en passant d’une nature ondulatoire – celle qui permettait la formation de la figure d’interférence – à une nature particulaire, celle où la figure d’interférence est détruite par l’interaction avec l’observateur quand il effectue la mesure en plaçant des détecteurs contre chacune des deux fentes.
À cet instant précis, les entités quantiques qui avaient toujours voyagé, puis interféré comme des ondes – c’est-à-dire comme de l’énergie pure – solidifient soudainement leur énergie en matière particulaire.
EXTRAIT du premier chapitre du livre ENTAGLEMENT de Massimo Teodorani
Tous les livres de Massimo Teodorani publiés chez Macro Editions :
Bohm - la physique de l'infini
Synchronicité - Le rapport entre physique et psyché de Pauli et Jung à Chopra
Tesla - l'éclair de génie
