Onde ou particule ? Des précisions sur "l'expérience de Wheeler"
Publié par Michel le 23/02/2007 à 00:00
Source: PhysicsWeb
Illustrations: CNRS / ENS. Vincent Jacques
Nous vous avons récemment parlé de l'expérience du laboratoire de Photonique quantique et moléculaire (CNRS/Ecole Normale Supérieure de Cachan) par laquelle les chercheurs tentaient de déterminer à quel moment un photon "décidait" de se comporter soit comme une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...), soit comme une particule (voir notre news (NeWS est un système de fenêtrage conçu par James Gosling (qui a contribué à Java) et introduit par Sun Microsystems à la fin des années 1980 n'a pas connu de succès mais...): "Onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) ou particule ? Une décision prise à la dernière nanoseconde"). Nous revenons ici plus en détail sur l'historique, le principe et le mode opératoire (Un mode opératoire consiste en la description détaillée des actions nécessaires à l'obtention d'un résultat. On parle aussi de process ou de processus. Le mode opératoire décrit...) de cette expérience.


Source à photon unique utilisée dans l'expérience de l'ENS

Les photons sont-ils capables de "savoir" qu'ils sont sur le point (Graphie) d'être observés ? John Wheeler avait proposé il y a presque 30 ans une façon de résoudre cette énigme bizarre en proposant une nouvelle mouture de l'expérience des fentes doubles. c'est cette expérience qu'ont réalisée les physiciens français.

La célèbre expérience des fentes doubles d'Young appliquée aux photons montre clairement l'influence de l'observateur en mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les systèmes physiques, plus...). Dans cette expérience, des photons uniques sont envoyés sur un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme de...), partiellement obstrué en chemin par un mur (Un mur est une structure solide qui sépare ou délimite deux espaces.) contenant deux fentes. Si l'observateur ne vérifie pas par quelle fente le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de...) est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le présent. L'intuition du...), celui-ci semble interférer avec lui-même, suggérant qu'il se comporte comme une onde en passant par les deux fentes à la fois. Mais si l'expérimentateur surveille les fentes soigneusement (c.-à-d. les observe), l'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en...) disparaît, et chaque photon traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et...) une des fentes à la façon d'une particule.

En 1978, John Wheeler faisait remarquer qu'un photon pourrait bien d'une façon ou d'une autre savoir à l'avance si une observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés....) allait être faite ou non, et modifier son comportement en conséquence. Pour tester cette hypothèse il proposait une expérience de pensée dans laquelle la décision d'observer les photons était prise seulement après qu'ils aient été émis.

Jean-François Roch et ses collègues de l'École Normale Supérieure ont, pour la première fois, fidèlement réalisé cette expérience. L'équipe a substitué les deux fentes dans l'appareil de Young (l'expérience étant infaisable sinon) par deux chemins différents dans un interféromètre (voir la figure ci-dessous). Les chemins mènent directement à deux détecteurs différents, permettant d'observer clairement le chemin que chaque photon a emprunté. Cependant, les physiciens ont également conçu un système automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des...) qui insère aléatoirement un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée,...) semi-réfléchissant au dernier moment. Lorsque ce miroir est en place, il est impossible pour l'observateur de connaître le chemin pris par le photon.

En l'absence de miroir semi-réfléchissant, le photon emprunte soit un chemin soit l'autre, et se comporte comme une particule. Mais en sa présence, les détecteurs enregistrent l'interférence (comme si le photon se comportait comme une onde et parcourait les deux chemins simultanément). Cependant, à la différence de toutes les expériences à doubles fentes antérieures, le système ne prend la décision d'observer ou non le photon qu'une fois celui-ci déjà engagé sur un chemin, ou sur l'autre, ou sur les deux. Par conséquent si une quelconque "source imaginaire" informait secrètement le photon, elle devrait envoyer ce message (La théorie de l'information fut mise au point pour déterminer mathématiquement le taux d’information transmis dans la communication d’un message par un canal de communication, notamment en présence de...) informatif à une vitesse (On distingue :) supérieure à celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...), chose que naturellement, la relativité interdit.

"En raison de cette contrainte, nous pouvons être sûrs que le photon ne 'connaît' pas, au moment où il y pénètre, ce qu'il y aura à l'autre extrémité de l'interféromètre ", indique Roch. "Cela souligne réellement la 'rivalité' qui existe entre la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un...) quantique et la relativité."


Choisir le bon chemin

Dans l'expérience de Roch, des impulsions de photons uniques sont émises une par une dans un interféromètre. Lorsqu'elles quittent le premier miroir semi-réfléchissant (BS1), elles ont le choix, avec une probabilité égale, entre deux chemins longs de 48 mètres, qui mènent par la suite jusqu'à deux détecteurs différents. Juste avant les détecteurs, un deuxième miroir semi-réfléchissant (BS2) est aléatoirement inséré ou enlevé par un système synchronisé avec l'émetteur. Quand ce miroir est en place, un photon peut atteindre l'un ou l'autre détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...), ce qui interdit la détermination de son parcours. Quand ce miroir est absent, les détecteurs permettent de déterminer (d'observer) le chemin suivi par le photon.

Les scientifiques ont répété de nombreuses fois l'expérience jusqu'à ce qu'ils puissent confirmer avec certitude que les photons non observés se comportaient comme des ondes (c.-à-d. interféraient), et que les photons observés se comportaient comme des particules (c.-à-d. n'interféraient pas). Crucialement, ils ont éliminé la possibilité que les photons puissent être au courant de quelque manière que ce soit de la décision du système, car cette décision n'était prise qu'après que les photons soient entrés dans l'interféromètre.


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