Contributions historiques
De Thomas Young à aujourd’hui
Voyage au Cœur de la Science et des Technologies Énergétiques (article 8)
Thomas YOUNG et l’expérience des doubles fentes
L’expérience des doubles fentes réalisée par Thomas Young en 1801 est une des expériences fondamentales en physique qui a marqué le début de la compréhension de la nature ondulatoire de la lumière. Au fil du temps, cette expérience a été revisitée et interprétée dans le contexte de la mécanique quantique , révélant des propriétés surprenantes des particules et des ondes. Voici une présentation détaillée :
L’Expérience Originale de Thomas Young
- But : Démontrer la nature ondulatoire de la lumière.
- Procédé :
- La lumière passe à travers une première fente pour être intégrée de manière cohérente.
- Elle est ensuite dirigée vers un écran avec deux fentes parallèles.
- Un écran situé derrière les fentes montre un motif d’interférences composé de franges claires et sombres.
- Conclusion de Young :
Le motif d’interférences s’explique par la superposition des ondes lumineuses issue des deux fentes, confirmant que la lumière se comporte comme une onde. Il a ainsi réfuté l’idée que la lumière est constituée uniquement de particules, soutenues par Newton.
Interprétation Quantique Moderne
L’expérience des doubles fentes a été revisitée au XXᵉ siècle pour explorer la nature des particules élémentaires , telles que les électrons, photons, et autres particules quantiques.
Observations Clés :
- Quand on utilise des particules (électrons, photons) :
-
- Si un flux continu de particules traverse les deux fentes, on observe le même motif d’interférences que celui observé par Young avec la lumière.
- Cela suggère que les particules présentent un comportement ondulatoire.
- Quand les particules sont émises une à une :
-
- Même en voyant les particules une par une, un motif d’interférences fini par apparaître sur l’écran.
- Cela suggère que chaque particule passe par les deux fentes simultanément sous forme d’onde de probabilité, avant d’interagir avec l’écran.
- Quand on tente d’observer par quelle fente passe la particule :
-
- Dès que l’on mesure ou observe par quelle fente passe la particule, le motif d’interférences disparaît.
- On obtient alors un motif correspondant à celui attendu pour des particules classiques, sans interférences.
Conclusion :
La nature ondulatoire ou particulière des objets quantiques dépend de l’observation. Ce phénomène est connu comme dualité onde-particule , un concept fondamental de la mécanique quantique.
Hommage à Thomas YOUNG
Interprétations théoriques
- Interprétation de Copenhague (Niels Bohr) :
-
- Avant la mesure, la particule est décrite par une fonction d’onde qui représente toutes les probabilités possibles de son état.
- La mesure “effondre” cette fonction d’onde en un état défini (particule localisée).
- Interprétation des Univers Multiples (Hugh Everett) :
-
- Chaque passage par les deux fentes correspond à une bifurcation vers deux univers parallèles où chaque possibilité est réalisée.
- Théories à Variables Cachées (David Bohm) :
-
- Les particules suivent une trajectoire déterminée, mais leur comportement est influencé par un “potentiel quantique”.
- Principe de Complémentarité :
-
- Il est impossible d’observer simultanément les aspects ondulatoires et corpusculaires. Ces deux aspects sont complémentaires.
Implications profondes
L’expérience des doubles fentes illustre plusieurs principes fondamentaux de la mécanique quantique :
- Dualité onde-particule : Les objets quantiques se comportent à la fois comme des ondes et des particules.
- Rôle de l’observateur : L’acte d’observation modifie le résultat, soulevant des questions philosophiques sur la nature de la réalité.
- Probabilité et incertitude : Les phénomènes quantiques ne sont pas déterministes, mais probabilistes.
Applications Modernes
L’expérience des doubles fentes à des répercussions dans des domaines tels que :
- L’informatique quantique : Exploitation des états superposés pour créer des qubits.
- L’optique quantique : Développement des technologies de communication sécurisée (cryptographie quantique).
- La métrologie : Mesures ultra-précises basées sur les interférences quantiques.
L’expérience des doubles fentes reste une pierre angulaire de la physique et continue de susciter des débats philosophiques et scientifiques sur la nature de la réalité.
Interprétation des Univers Multiples (Hugh Everett)
L’Interprétation des Univers Multiples (IUM) a été proposée par le physicien américain Hugh Everett en 1957 comme une alternative à l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Cette théorie postule que chaque mesure quantique n’entraîne pas l’effondrement de la fonction d’onde, mais plutôt une bifurcation en plusieurs réalités parallèles, où chaque issue possible d’un événement quantique se réalise dans un univers distinct.
Principes fondamentaux :
- Superposition quantique : Avant la mesure, un système quantique existe dans une superposition de plusieurs états possibles.
- Bifurcation des univers : Lorsqu’une observation est effectuée, l’univers se divise en plusieurs branches, chacune correspondant à une possibilité issue de la mesure.
- Absence d’effondrement de la fonction d’onde : Contrairement à l’interprétation de Copenhague, Everett propose que la fonction d’onde continue d’exister sans s’effondrer.
- Décohérence quantique : Les différents univers deviennent indépendants et ne peuvent plus interagir après leur séparation.
Conséquences et implications :
- Cette interprétation élimine la nécessité d’un observateur conscient pour provoquer l’effondrement de la fonction d’onde.
- Elle implique une infinité d’univers parallèles, chacun évoluant indépendamment selon les lois de la mécanique quantique.
- Elle soulève des questions philosophiques sur la nature du réel et notre place dans le multivers.
Bien que séduisante, l’IUM reste une hypothèse controversée car elle n’est pas directement testable expérimentalement. Cependant, elle continue d’inspirer des recherches en physique théorique et en cosmologie.
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