lundi 17 décembre 2012

Les fentes de Young


Vous savez quoi ? J'ai envie de vous parler des fentes de Young depuis que j'ai ouvert ce blogue, il y a bientôt deux ans.

Cette expérience porte ce nom, car c'est Thomas Young, physicien britannique, qui la fit pour la première fois en 1801. L'objectif de cette expérience était initialement de comprendre le comportement de la lumière.

Mais ce qui découla de cette expérience est incroyable. C'est presque magique. Ce billet ne s'adresse d'ailleurs pas à ceux qui seraient nécessairement férus de science ; bien au contraire, je veux d'abord m'adresser à ceux qui croient que la science est trop linéaire, ennuyeuse.

C'est en étant confronté à des mystères comme celui que je vais vous présenter que mon intérêt pour la Physique a grandi.

On dit que la Physique quantique rend fou : en voici le plus bel exemple.

Évidemment, je ne causerai pas mathématiques, je ne saurais le faire.

Ainsi, voici ce dont a l'air cette expérience.



On a deux panneaux. Celui à l'avant-plan est troué de deux fentes.

On a aussi un projecteur, pour envoyer de la lumière.

Donc tout d'abord, si l'on bouche l'une des fentes, et qu'on allume le projecteur, que se passe-t-il ? C'est prévisible : une raie de lumière apparaît sur le panneau du fond. Jusqu'ici, rien de surprenant.

Ainsi, on cesse ensuite d'obstruer la seconde fente. Les deux sont libres. Quelle est ainsi notre prédiction ?

Lorsqu'on allume le projecteur, on s'attend à ce qu'il y ait, sur le panneau du fond, deux raies de lumière.
Logique, se dit-on.

Mais ce n'est pas ce qui se produit.

Premier mystère. On obtient en fait quelque chose qui ressemble sensiblement à ce que je représente, assez malhabilement, sur ce dessin.



Histoire de ne pas violer les droits d'auteur de Wikipédia, j'ai moi-même fait ce dessin. En vérité, (puisqu'on ne peut jamais se passer de Wiki), voici ce dont ça devrait avoir l'air.


C'est-à-dire que la lumière n'avance pas en ligne droite, mais avance ainsi que des ondes (songeons à un caillou qu'on lance dans l'eau, et au cercle liquide qui, conséquemment, s'élargit sans cesse). Ainsi, lorsque la lumière passe par les deux fentes, de l'autre côté, elle « interfère » avec elle-même. Les cercles grandissants des ondes s'entrechoquent. Ce que l'on obtient donc, sur le panneau du fond, c'est le fruit de toutes ces ondes lumineuses qui ont interféré les unes avec les autres.

Pour bien me faire comprendre, une fois de plus, j'appelle en renfort Wikipédia.

Fort curieux, mais très logique.

Pour pousser plus loin, on se dit : et pourquoi ne pas essayer avec un électron ? Un électron, ce n'est pas une onde comme la lumière, c'est un corpuscule, une petite bille.

On s'attend donc à voir, sur le panneau de derrière, deux rectangles, qui circonscriraient le lieu d'impact des différents électrons lancés au travers des deux ouvertures.

Or, surprise, ce n'est pas ce qui se produit : là encore, on voit la figure d'interférence (voir mon dessin).
On se questionne : l'électron serait-il une onde, plutôt qu'une petite bille ?

On se dit ainsi : soyons malins, envoyons un électron à la fois. Avec quoi l'électron pourra-t-il interférer, s'il est envoyé seul, chaque fois ?

On observe donc, sur le panneau du fond, de petites marques rondes apparaître, au fur et à mesure qu'on bombarde l'écran en faisant passer ces petits éléments de matière dans les deux « fenêtres ». Une lente constellation apparaît.

On n'obtient pas les deux barres tant attendues. En fait, les électrons semblent toucher la toile du fond de façon fort chaotique...

Mais petit à petit se dessine un schéma perplexant.

Électron après électron, le « schéma d'interférence » (comme lorsque la lumière interférait avec elle-même) se constitue !



Mais comment est-ce possible ? Avec quoi l'électron peut-il interférer, s'il est tout seul, chaque fois ?

Mathématiquement, on estime que l'électron passe dans les deux fentes à la fois, et... interagit avec lui-même !

Magiquement incompréhensible. Merveilleusement passionnant.

À ce stade-ci, les physiciens se disent : c'est simple, allons VOIR par quelle ouverture l'électron passe. On met donc un petit outil de détection près des deux ouvertures du premier panneau.

Et voici ce qu'il y a de plus formidablement incognoscible.

Du moment qu'on décide d'observer ce que fait en réalité l'électron, celui-ci... modifie son comportement. Il se met à faire ce qu'on estimait qu'il aurait dû faire d'emblée. C'est-à-dire qu'il passe d'un côté ou de l'autre (et non dans les deux fentes à la fois). Et, sur le canevas à l'arrière, lentement, la succession de ces particules dessine deux rayures correspondant aux deux ouvertures (non plus le schéma d'interférence !)

Comme me l'a déjà fait remarquer un ami, au sujet de cette expérience, c'est comme si Dieu avait dit : « Ça, vous ne touchez pas. Je mets un cadenas là-dessus. »

En résumé, et en accéléré :



Pour plus d'information, l'article Wikipédia.

4 commentaires:

  1. Je trouve divertissante ta façon de décrire l'expérience.

    J'aimerais apporter cette précision : l'électron ne se divise pas. Il passe bien dans les deux fentes à la fois, mais à aucun moment, il ne se divise.

    Laissez mijoter un instant à feu doux.

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  2. Dire qu'il se divise, c'est une façon très imagée d'expliquer la chose. Effectivement, lorsque les mathématiciens font leurs calculs, à leur grande surprise, ils constatent en effet qu'il passe dans les deux fentes à la fois.

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  3. Oui, c'est super. On a étudié ce truc et je l'ai trouvé fascinant, ce jeu de lumières. Merci pour l'info et les illustrations :)

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  4. Ça me fait plaisir. En espérant parler de science un peu plus souvent ici.

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