Expérience à double fente de Young

Tout au long du XIXe siècle, les physiciens ont convenu que la lumière se comportait comme une onde, en grande partie grâce à la célèbre expérience à double fente réalisée par Thomas Young. Poussé par les enseignements de l'expérience et les propriétés ondulatoires qu'elle a démontrées, un siècle de physiciens a recherché le milieu à travers lequel la lumière ondulait, l'éther lumineux. Bien que l'expérience soit plus remarquable avec la lumière, le fait est que ce type d'expérience peut être effectué avec n'importe quel type de vague, comme l'eau. Pour le moment, cependant, nous allons nous concentrer sur le comportement de la lumière.

Quelle a été l'expérience?

Au début des années 1800 (1801 à 1805, selon la source), Thomas Young a mené son expérience. Il a permis à la lumière de passer à travers une fente dans une barrière afin qu'elle se dilate dans les fronts d'ondes de cette fente comme source de lumière (selon le principe de Huygens). Cette lumière, à son tour, a traversé la paire de fentes dans une autre barrière (soigneusement placée à la bonne distance de la fente d'origine). Chaque fente, à son tour, diffractait la lumière comme si elles étaient également des sources de lumière individuelles. La lumière a heurté un écran d'observation. Ceci est montré à droite.

Lorsqu'une seule fente était ouverte, elle impactait simplement l'écran d'observation avec une plus grande intensité au centre, puis s'estompait lorsque vous vous éloigniez du centre. Il y a deux résultats possibles de cette expérience:

Interprétation des particules: Si la lumière existe sous forme de particules, l'intensité des deux fentes sera la somme de l'intensité des fentes individuelles.

Interprétation des vagues: Si la lumière existe sous forme d'ondes, les ondes lumineuses auront des interférences selon le principe de superposition, créant des bandes de lumière (interférence constructive) et d'obscurité (interférence destructrice).

Lorsque l'expérience a été menée, les ondes lumineuses ont effectivement montré ces modèles d'interférence. Une troisième image que vous pouvez voir est un graphique de l'intensité en termes de position, qui correspond aux prévisions d'interférence.

Impact de l'expérience de Young

À l'époque, cela semblait prouver de façon concluante que la lumière se propageait dans les vagues, provoquant une revitalisation dans la théorie de la lumière de Huygen, qui comprenait un milieu invisible, éther, à travers lequel les vagues se sont propagées. Plusieurs expériences au cours des années 1800, notamment la célèbre expérience de Michelson-Morley, ont tenté de détecter l'éther ou ses effets directement.

Ils ont tous échoué et un siècle plus tard, les travaux d'Einstein sur l'effet photoélectrique et la relativité ont fait que l'éther n'était plus nécessaire pour expliquer le comportement de la lumière. Encore une fois, une théorie des particules de la lumière a pris le dessus.

Extension de l'expérience à double fente

Pourtant, une fois que la théorie des photons de la lumière est apparue, disant que la lumière ne se déplaçait que dans des quanta discrets, la question est devenue de savoir comment ces résultats étaient possibles. Au fil des ans, les physiciens ont pris cette expérience de base et l'ont explorée de plusieurs façons.

Au début des années 1900, la question restait de savoir comment la lumière - qui était maintenant reconnue pour voyager dans des "faisceaux" de particules quantifiés d'énergie, appelés photons, grâce à l'explication d'Einstein de l'effet photoélectrique - pouvait également montrer le comportement des ondes. Certes, un tas d'atomes d'eau (particules) lorsqu'ils agissent ensemble forment des vagues. C'était peut-être quelque chose de similaire.

Un photon à la fois

Il est devenu possible d'avoir une source de lumière qui a été installée de sorte qu'elle émette un photon à la fois. Ce serait, littéralement, comme lancer des roulements à billes microscopiques à travers les fentes. En configurant un écran suffisamment sensible pour détecter un seul photon, vous pouvez déterminer s'il y a ou non des motifs d'interférence dans ce cas..

Une façon de le faire consiste à installer un film sensible et à exécuter l'expérience sur une période de temps, puis à regarder le film pour voir quel est le motif de lumière sur l'écran. Une telle expérience a été réalisée et, en fait, elle correspondait à la version de Young à l'identique - alternant des bandes claires et sombres, résultant apparemment d'interférences de vagues.

Ce résultat confirme et déroute la théorie des vagues. Dans ce cas, les photons sont émis individuellement. Il n'y a littéralement aucun moyen pour que l'interférence des ondes se produise car chaque photon ne peut traverser qu'une seule fente à la fois. Mais l'interférence des vagues est observée. Comment est-ce possible? Eh bien, la tentative de répondre à cette question a engendré de nombreuses interprétations intrigantes de la physique quantique, de l'interprétation de Copenhague à l'interprétation des mondes multiples.

Ça devient encore plus étrange

Supposons maintenant que vous effectuez la même expérience, avec un seul changement. Vous placez un détecteur qui peut dire si le photon passe ou non à travers une fente donnée. Si nous savons que le photon passe à travers une fente, alors il ne peut pas passer à travers l'autre fente pour interférer avec lui-même.