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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce que l’expérience des fentes de Young

Qu’est-ce que l’expérience des fentes de Young

mardi 30 juillet 2019, par Robert Paris

Qu’est-ce que l’expérience des fentes de Young ?

C’est une expérience par laquelle on émet des corpuscules (lumière ou matière) à travers de deux fentes proches et qu’on capte ensuite sur un écran. On constate la formation de franges d’interférences qui se forment progressivement et donc sans que les corpuscules aient pu interagir. C’est le noeud de l’énigme !!! La réponse provient de la physique quantique car la physique classique y perd son latin...

Ci-dessous la formation progressive des franges d’interférences sur l’écran après passage des fentes de Young (qui laisseraient penser à un comportement ondulatoire) mais avec des impact ponctuels sur l’écran (ce qui fait penser à un comportement particulaire)...

L’expérience des fentes de Young est un des fondements de la remise en cause de la physique dite classique et son remplacement par la physique quantique.

Dans la physique classique, la matière est corpusculaire et la lumière est ondulatoire.

L’expérience montre que les deux sont à la fois ondulatoire et corpusculaire.

Dans la physique classique, la mécanique est prédictive alors qu’en physique quantique on n’accède qu’à une probabilité.

L’avantage de la nouvelle physique est qu’elle permet de calculer les résultats obtenus dans des expériences de type de Young ; c’est-à-dire qui mettent en jeu le microscopique (corpuscules élémentaires de matière et de lumière).

L’inconvénient, pensent les scientifiques, c’est qu’elle introduit une contradiction dialectique : les éléments fondamentaux sont à la fois une chose et son contraire, onde et particule.

Je dis inconvénient par ironie, mais il est difficile d’imaginer à quel point c’est renversant pour toutes les croyances précédentes et même actuelles.

Essayons de montrer pourquoi de manière simple.

Tout d’abord, il faut voir que l’on assiste à ce que l’on appelle des interférences qui ressemblent à ce que l’on voit dans les ondes.

Mais, dans le cas des ondes qui traversent deux fentes, la même onde interfère avec elle-même et produit l’interférence c’est-à-dire une suite de hauts et de bas. Les différences entre les deux chemins passant par l’une et l’autre fente fait que les deux phénomènes sont additifs ou soustractifs.

Or, dans le cas de l’expérience de Young, on va réduire la puissance au point d’envoyer de la lumière en quantité minimale. A l’arrivée, on va s’assurer que ce qui arrive c’est des grains quantiques de lumière. On les capte par un phénomène photoélectrique typique des quanta.

Du coup, il est certain que le photon est passé par une fente ou par l’autre. Comment le photon peut-il interférer puisqu’il ne passe que par une fente et qu’on envoie les photons indépendamment, un par un ?

Par le calcul probabiliste qu’elles mettent en place, les premières théories quantiques vont mathématiquement retrouver les résultats mais renoncer à toute explication selon laquelle il se passe ceci, tel objet fait cela...

La seule manière d’interpréter est de reconnaitre que le photon ( ou l’électron puisqu’on peut faire l’expérience de Young avec des électrons) n’est pas seulement un corpuscule, qu’il est entouré d’une nuage du vide qui détermine les positions des particules et qui, lui, passe par les deux fentes...

Mais cela suppose que le monde matériel est pétri de contradictions dialectiques irréductibles :

- l’ordre est émergent (issu du désordre)

- le local et le non-local (étendu) sont inextricablement imbriqués

- le temps et l’espace sont issus d’un univers où espace et temps sont agités et, en particulier, l’écoulement du temps provient du vide où le temps est désordonné...

- il n’existe aucune image non contradictoire de l’univers matériel et il n’existe aucune image non dynamique non plus de la matière et de la lumière

- l’existence est inséparable de la destruction

- la base de la matière comme du vide est située dans le vide quantique constitué d’une contradiction fondamentale : des couples particule/antiparticule

Une des manières les plus claires de mettre en évidence la dualité onde-particule est l’expérience des fentes de Young. Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d’abord mis clairement en évidence l’aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule non seulement de la lumière, mais aussi de tout autre objet quantique. Dans la description qui suit, il sera question de lumière et de photons mais il ne faut pas perdre de vue qu’elle est également applicable - du moins en principe - à toute autre particule (par exemple des électrons), et même à des atomes et à des molécules.

L’expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d’émission lumineuse. Une plaque photographique placée derrière l’écran enregistre la lumière issue des deux fentes. Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique ce que l’on appelle une figure d’interférence . Cette figure est caractéristique d’un comportement ondulatoire de la lumière. Si l’expérience en reste à ce niveau, l’aspect corpusculaire n’apparaît pas. En fait, il est possible de diminuer l’intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule.

En effet, si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes (par exemple), donc de "vraies" particules, on n’obtient aucune figure d’interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes. Or, dans le cas des photons, on retrouve la figure d’interférence reconstituée petit à petit, à mesure que les photons apparaissent sur la plaque photographique. On retrouve donc une figure d’interférence, caractéristique des ondes, en même temps qu’un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique. L’interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d’impacts sur la plaque photographique sont inexplicables ; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d’interférence, puis de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s’expliquent aisément, mais la figure d’interférence ne s’explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d’autres interdites à ces particules ? Force est donc de constater une dualité onde-particule des photons (ou de tout autre objet quantique), qui présentent simultanément les deux aspects. Interprétation de la dualité

En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule sont décrits par une fonction d’onde qui code la densité de probabilité de toute variable mesurable (nommées aussi observable). La position d’une particule est un exemple d’une de ces variables. Donc, avant qu’une observation soit faite, la position de la particule est décrite en termes d’ondes de probabilité. Les deux fentes peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent. Sur la plaque photographique, il se produit ce que l’on appelle une réduction du paquet d’onde, ou une décohérence de la fonction d’onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d’onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d’autres (franges sombres). Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu’à ce qu’une observation soit faite, la position d’une particule est décrite en termes d’ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

INTERPRÉTATION MODERNE

Cette question a donné lieu aux plus grandes polémiques et elles ne sont pas éteintes.

Cependant, il semble que l’on puisse renoncer aux erreurs passées sur ce thème. Il ne s’agit pas là d’une limite de la connaissance humaine. il ne s’agit pas non plus du fait que c’est l’observation qui créerait la réalité. Ni encore

Non, seulement la réalité est bien différente de ce que nous imaginions.

Qu’est-ce que cela signifie ?

Il n’y a pas d’objets matériels au sens où on l’entend et où ils apparaissent à notre échelle macroscopique : des choses indépendantes du milieu qui les entoure.

Michel Paty dans « Nouveaux voyages au pays des quanta » :

« L’électron interagit avec les « paires virtuelles » de son propre champ électromagnétique. (…) Le vide quantique contient de telles paires virtuelles et cet effet a été observé sous le nom de « polarisation du vide ». L’électron se trouve interagir avec la charge d’un des éléments de la paire virtuelle, en sorte qu’un électron quantique n’est jamais « nu » mais « habillé » d’un essaim ou nuage de paires virtuelles qui polarisent son environnement immédiat et modifient, par voie de conséquence, ses niveaux d’énergie. (…) La procédure dite de renormalisation considère que la masse et la charge physique de l’électron sont celles de l’électron « habillé » et non celles de l’électron « nu ». ce dernier n’existe pas réellement, puisqu’il est toujours impensable sans son champ. »

Louis de Broglie, dans « Le dualisme des ondes et des corpuscules dans l’œuvre d’Albert Einstein » :

« La continuité semblait régner dans le domaine du champ électromagnétique et du rayonnement tandis que la discontinuité granulaire s’introduisait, par ailleurs et assez arbitrairement, pour représenter l’existence certaine des sources quasi ponctuelles du champ électromagnétique liées à la matière électrisée. Cette dissymétrie donnait à la doctrine de Lorentz sur les électrons quelque chose qui n’était pas satisfaisant malgré la beauté du formalisme et le succès remarquable de certaines des prévisions obtenues. Si la dualité des ondes et des corpuscules paraissait expulsée depuis Fresnel de la théorie de la lumière par suite du triomphe de la conception exclusivement ondulatoire, on ne pouvait pas dire qu’il en était de même dans l’ensemble de notre représentation du monde physique. D’ailleurs, pour ceux qui connaissaient bien l’histoire des sciences, il y avait une autre raison, un peu oubliée sans doute, de penser qu’il existait une liaison cachée entre les concepts d’onde et de corpuscule dont ne rendait pas compte la Physique de 1900. Je fais allusion ici à cette belle théorie de Mécanique analytique qui fut développée, il y a quelque 120 ans, par Hamilton et par Jacobi et qui fait correspondre à un ensemble de mouvements de corpuscules dans un champ de force donnée la propagation d’une onde dans cette région de l’espace à l’approximation de l’Optique géométrique. Cette saisissante image permettait d’identifier les trajectoires des corpuscules associés à l’onde aux « rayons » de cette onde définis par l’optique géométrique comme les courbes orthogonales aux surfaces d’égale phase. Ainsi était apparue une correspondance, d’une nature très profonde, quoique limitée, il est vrai, au domaine de validité de l’optique géométrique, entre le mouvement d’un corpuscule et la propagation d’une onde et je pense que l’importance du lien ainsi établi ne saurait être surestimée… Mais à l’époque où écrivaient Hamilton et Jacobi et dans la période qui suivit, aucun sens physique précis n’avait été donné à cette représentation et l’onde introduite par leur théorie avait été considérée comme une onde fictive, simple artifice mathématique permettant de se représenter simultanément tout un ensemble de trajectoires possibles. La précieuse indication que le formalisme d’Hamilton-Jacobi pouvait fournir sur la véritable nature du dualisme onde-corpuscule avait été méconnue par les savants du XIX e siècle habitués, nous l’avons vu plus haut, à employer dans des domaines séparés les notions d’onde et de corpuscule. Mais bientôt, dans le domaine même du rayonnement d’où il paraissait exclu à jamais, cet étrange dualisme allait réapparaître sous une forme aussi inattendue qu’inquiétante pour les théoriciens.

La plus connue et la plus convaincante des expériences quantiques menant à renoncer à l’image classique de la physique est toujours l’expérience des fentes de Young. On se souvient qu’il s’agit de l’émission par une source qui est envoyé sur un écran en passent par deux fentes proches. On constate que les émissions lumineuses causent des impacts discrets (ponctuels) sur un écran, que les émissions de particules produisent des interférences sur l’écran. Et surtout, on remarque que, même si un corpuscule passe par une seule fente, il n’est pas équivalent de fermer ou pas l’autre fente. En effet, en la fermant, on empêche (dans le cas de fentes suffisamment étroites) le milieu agité par la présence du corpuscule avant les fentes de passer après les fentes. Du coup, le corpuscule est dispersé après le passage de la fente. La relation entre matière et vide est donc à la base de la compréhension des phénomènes quantiques. Remarquons qu’il y a bien longtemps, plusieurs expériences (comme la pression du vide sur la matière ou effet Casimir) d’action du vide sur la matière avaient déjà été mises en évidence. Cependant, on considérait toujours que le vide était le milieu qui ne perturbait pas le mouvement de la lumière (puisqu’on la considérait comme à rectiligne uniforme dans le vide) et le mouvement ou le changement de la matière. La conception selon laquelle matière et vide interagissent sans cesse au cours du processus fondamental de chaque particule est donc un renversement considérable de point de vue.

Comment concevoir qu’un corpuscule qui arrive comme un grain sur un écran (un par un et localisé) puisse dessiner une figure d’interférence si la source émet un grand nombre de corpuscules qui passent par deux fentes ouvertes alors qu’il n’y a pas d’interférence quand on ferme une fente ? Les corpuscules arrivant de façon discrète, un par un et indépendamment les uns des autres, il faut considérer que l’interférence a lieu pour un corpuscule seul. Le corpuscule ne peut interférer qu’avec lui-même en conséquence. Comment est-ce possible qu’il n’interfère avec lui-même que lorsque les deux fentes sont ouvertes ? C’est qu’il faut que quelque chose passe aussi par la deuxième fente. Rappelons nous que les expériences de fentes fonctionnent avec des fentes suffisamment étroites pour laisser passer le corpuscule sans laisser passer l’onde du corpuscule, agitation du vide qui entoure le corpuscule et se propage autour. C’est cette agitation qui parvient à passer par la deuxième fente si elle est ouverte puis rejoint le corpuscule derrière les fentes. L’expérience des fentes de Young nécessite que le corpuscule interfère avec le vide, tantôt destructivement tantôt constructivement. Cela signifie que, de façon très brève, le corpuscule est inhibé par le vide. Son agitation interne supprime la structure du corpuscule puis la reconstruit en un temps très court. C’est un processus de rétroaction (inhibition de l’inhibition). C’est ce processus qui est fondamental pour le photon. Le corpuscule lumineux n’est le sujet d’un processus périodique qu’à cause de la rétroaction du vide qui détruit périodiquement le corpuscule. C’est le seul processus qui permette de rendre compte à la fois des effets type grain du rayonnement (comme l’arrivée discrète et localisée sur un écran, l’effet Compton, l’effet photoélectrique [13], etc) et de des effets type onde (périodicité, phase, interférences destructives et constructives entre deux rayonnements, etc). Par exemple, un photon se transforme en couple éphémère électron antiélectron. D’autres particules d’interaction se transforment en proton antiproton. Ces couples se recomposent ensuite avec de la matière ou avec des particules et antiparticules éphémères du vide.

La particule matérielle ou l’atome sont eux aussi sujets au même caractère double (onde/corpuscule) dont la contradiction provient du fait que les effets sont apparemment logiquement opposés (localisé/étendu dans tout l’espace, interférence/pas d’interférence, etc). Ces phénomènes ne peuvent se produire que si la particule matérielle subit les mêmes interférences avec le vide sur un temps beaucoup plus court. Ces interférences entre particule et vide sont les ondes de Broglie. Bien d’autres phénomènes quantiques ne peuvent être interprétés que comme l’interaction entre le corpuscule et son milieu. C’est le cas du moment cinétique. L’électron isolé en a un qui n’est pas nul alors qu’en physique classique toute particule isolée a un moment cinétique nul. Cela signifie que l’électron n’est pas isolé mais en connexion avec le vide agité que représente son milieu, ce que l’on appelle son onde. Ondulatoire comme le corpuscule lumineux, il disparaît aussi mais dans un temps trop court pour être perçu. Par contre ses propriétés d’interférence avec le vide montrent que lui aussi disparaît puis réapparaît. En conclusion, le processus fondamental qui maintient la particule dans son état pendant un certain temps consiste en sa disparition et sa réapparition de façon permanente et très rapide. Cela explique également qu’il soit impossible de suivre un corpuscule de façon continue puisqu’il disparaît périodiquement et ne réapparaît pas exactement au même endroit. D’où le caractère flou à une petite échelle des corpuscules et des atomes qui a été l’une des découvertes étonnantes de la physique quantique. C’est en effet en contradiction avec les propriétés de l’atome à notre échelle, humaine. Quand on examine des atomes dans un grand groupe d’atomes, ils ne se comportent pas de façon floue, ils n’ont pas l’air ni d’apparaître ni de disparaître. Ils sont « classiques » et non « quantiques ». La séparation, qui a fait couler tant d’encre, entre classique et quantique (expérience de pensée du chat de Schrödinger par exemple) s’expliquerait donc par l’effet destructif et constructif du vide. Lorsque les atomes sont nombreux à proximité, les messages qu’ils échangent (photons) suppriment l’effet destructif de l’agitation du vide. Cette agitation interne permanente du vide a été longtemps ignorée. C’est elle qui est en cause dans les inégalités d’Heisenberg. Le vide agite la matière comme la lumière. A l’échelle d’un corpuscule, elle rend le mouvement et la présence du corpuscule flous. Elle empêche de connaître précisément les deux.

Lire ici l’article de Matière et Révolution

Lire d’autres articles

Richard Feynman dans son « Cours de Physique – Mécanique 1 » :

« Les choses que nous avions l’habitude de considérer comme des ondes se comportent aussi comme des particules et que les particules se comportent inversement comme des ondes ; en fait, tout se comporte de la même manière. Il n’y a pas de distinction entre une onde et une particule. Ainsi, la mécanique quantique unifie l’idée du champ et de ses ondes, et l’idée de particules, dans une seule et même idée. Cependant, il est vrai que lorsque la fréquence est basse, l’aspect ondulatoire du phénomène est plus évident ou plus utile comme description approchée en partant des expériences de tous les jours. Mais lorsque la fréquence augmente, les aspects particulaires du phénomène deviennent plus évidents avec l’équipement que nous utilisons habituellement pour faire les mesures. »

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