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Description de l’expérience
L’une des expériences les plus célèbres de la physique est l’expérience des doubles fentes. Elle démontre, avec une étrangeté sans pareille, que les petites particules de matière ont quelque chose d’ondulatoire et suggère que l’acte même d’observer une particule a un effet spectaculaire sur son comportement.
Pour commencer, imaginez un mur percé de deux fentes. Imaginez que vous lancez des balles de tennis sur le mur. Certaines rebondissent sur le mur, mais d’autres traversent les fentes. S’il y a un autre mur derrière le premier, les balles de tennis qui ont traversé les fentes le toucheront. Si vous marquez tous les endroits où une balle a touché le deuxième mur, que pensez-vous voir ? C’est exact. Deux bandes de marques ayant à peu près la même forme que les fentes.
Dans l’image ci-dessous, le premier mur est montré du haut, et le deuxième mur est montré de face.
Imaginez maintenant que vous envoyez une lumière (d’une seule couleur, c’est-à-dire d’une seule longueur d’onde) sur un mur comportant deux fentes (où la distance entre les fentes est à peu près égale à la longueur d’onde de la lumière). Dans l’image ci-dessous, nous montrons l’onde lumineuse et le mur depuis le haut. Les lignes bleues représentent les pics de l’onde. Lorsque l’onde traverse les deux fentes, elle se divise essentiellement en deux nouvelles ondes, chacune se propageant à partir de l’une des fentes. Ces deux ondes interfèrent alors l’une avec l’autre. À certains endroits, où un pic rencontre un creux, elles s’annulent mutuellement. À d’autres endroits, où les pics se rencontrent (c’est là que les courbes bleues se croisent sur le schéma), elles se renforcent mutuellement. Les endroits où les ondes se renforcent mutuellement produisent la lumière la plus brillante. Lorsque la lumière rencontre un deuxième mur placé derrière le premier, vous verrez un motif rayé, appelé motif d’interférence. Les rayures brillantes proviennent des ondes qui se renforcent mutuellement.
Voici l’image d’un véritable motif d’interférence. Les rayures sont plus nombreuses car l’image est plus détaillée que notre schéma. (Par souci d’exactitude, nous devrions dire que l’image montre également un schéma de diffraction, que vous obtiendriez à partir d’une fente unique, mais nous ne nous y attarderons pas ici, et vous n’avez pas besoin d’y penser).
Passons maintenant au domaine quantique. Imaginez que vous tirez des électrons sur notre mur avec les deux fentes, mais bloquez l’une de ces fentes pour le moment. Vous constaterez que certains électrons passeront par la fente ouverte et frapperont le second mur comme le feraient des balles de tennis : les points où ils arrivent forment une bande ayant à peu près la même forme que la fente.
Ouvrez maintenant la deuxième fente. Vous vous attendez à voir deux bandes rectangulaires sur la deuxième paroi, comme pour les balles de tennis, mais ce que vous voyez en réalité est très différent : les points où les électrons frappent s’accumulent pour reproduire le schéma d’interférence d’une onde.
Voici l’image d’une véritable expérience de double fente avec des électrons. Les différentes images montrent le motif que l’on obtient sur la deuxième paroi au fur et à mesure que l’on envoie des électrons. Le résultat est un motif d’interférence en forme de bande.
Comment cela est-il possible ?
Il est possible que les électrons interfèrent entre eux et n’arrivent pas aux mêmes endroits que s’ils étaient seuls. Cependant, le motif d’interférence demeure même lorsque vous tirez les électrons un par un, de sorte qu’ils n’ont aucune chance d’interférer. Étrangement, chaque électron individuel contribue par un point à un schéma global qui ressemble au schéma d’interférence d’une onde.
Se pourrait-il que chaque électron se divise, traverse les deux fentes en même temps, interfère avec lui-même, puis se recombine pour rencontrer le deuxième écran en tant que particule unique et localisée ?
Pour le savoir, on pourrait placer un détecteur près des fentes, pour voir par quelle fente passe un électron. Et c’est là que ça devient vraiment bizarre. Si vous faites cela, alors le motif sur l’écran du détecteur se transforme en motif de particules de deux bandes, comme on le voit sur la première image ci-dessus ! Le motif d’interférence disparaît. D’une manière ou d’une autre, le simple fait de regarder fait en sorte que les électrons se déplacent comme de petites balles de tennis bien élevées. C’est comme s’ils savaient qu’ils étaient espionnés et qu’ils avaient décidé de ne pas être pris en flagrant délit d’étrange manigance quantique.
Que nous apprend l’expérience ? Elle suggère que ce que nous appelons « particules », comme les électrons, combine en quelque sorte les caractéristiques des particules et celles des ondes. C’est la fameuse dualité onde-particule de la mécanique quantique. Elle suggère également que le fait d’observer, de mesurer, un système quantique a un effet profond sur ce système. La question de savoir comment exactement cela se produit constitue le problème de mesure de la mécanique quantique.
