L'une des découvertes les plus célèbres en physique pourrait être erronée – l'expérience à double fente a longtemps été pensée pour confirmer que la lumière peut être une vague, mais ses résultats peuvent être entièrement expliqués en utilisant uniquement des particules quantiques
Dans l'expérience à double fente, les ondes légères interfèrent les unes avec les autres – ou sont-elles?
La lumière est à la fois une onde et une particule – du moins nous avons réfléchi pendant une centaine d'années. Depuis l'avènement de la physique quantique, il a été compris que la lumière présente la dualité-particule. Une partie de cette dualité peut être attribuée au physicien Thomas Young qui, en 1801, a effectué une expérience qui a confirmé le caractère d'onde de Light: l'expérience à double fente. Mais une nouvelle interprétation radicale remet en question les résultats de cette célèbre expérience, et en effet, la nature même de la lumière elle-même.
Celso Villas-Boas à l'Université fédérale de São Carlos au Brésil et ses collègues soutiennent que nous n'avons pas besoin de considérer la lumière comme une vague pour expliquer les résultats de l'expérience à double fente. Ils suggèrent que, dans ce cas, la lumière peut être considérée comme fondamentalement une particule.
Il s'agit d'une rupture controversée avec l'histoire de la physique. Villas-Boas dit que l'expérience à double fente a été vue par de nombreux scientifiques – y compris des géants comme James Clerk Maxwell, qui ont développé la théorie classique de l'électromagnétisme, et Robert Millikan, dont les expériences ont prouvé que nous avons un aspect d'onde de la lumière. L'interprétation des vagues classiques, dit-il, n'est pas la plus fondamentale; La mécanique quantique est.
Dans l'expérience à double fente, la lumière brille à travers deux fentes étroites adjacentes et sur un écran, où elle forme des bandes verticales vives et sombres appelées motif «interférence classique». L'explication habituelle à ce sujet est que les ondes légères se déversent à travers les fentes et se rencontrent à l'écran. Si, lorsqu'ils se rencontrent, la crête la plus élevée d'une onde légère rencontre le creux le plus bas d'un autre, les deux s'annulent et l'écran enregistre une bande sombre – l'absence de lumière. Des rayures brillantes, en revanche, se forment lorsque deux vagues se rencontrent à un écran et se chevauchent afin que leurs crêtes s'additionnent (voir graphique «Interprétation des vagues» ci-dessous).
Les chercheurs ont pris ce modèle bien connu de rayures et ont demandé si cela pouvait être réalisé si vous supposiez que la lumière ne prenne pas, en fait, la forme d'une vague. Leur modèle mathématique a utilisé un seul atome comme écran car il s'agit du détecteur de photons le plus rudimentaire. Et leur cadre suppose que la position des rayures est simplement déterminée par la géométrie des fentes et comment la lumière les traverse.
En fin de compte, leurs calculs suggèrent que le schéma peut provenir simplement de considérer la lumière comme une particule quantique. En effet, à certains endroits, les photons passant par les fentes supposent des «états sombres» dans lesquels ils ne peuvent pas interagir avec d'autres particules et n'éclairent pas l'écran (voir graphique «Interprétation des photons sombres» ci-dessous). De ce point de vue, le motif n'indique jamais l'absence de photons – l'absence de lumière – mais montre que certaines d'entre elles ont des propriétés quantiques qui les permettent d'éliminer la détection.
«Ce fut une expérience choquante. D'une manière ou d'une autre, il y a des photons partout, mais dans les régions sombres, ils ne peuvent pas exciter l'atome», explique Gerhard Rempe, membre de l'équipe, au Max Planck Institute of Quantum Optics en Allemagne. «Cela a brisé une grande partie de notre compréhension du fonctionnement des interférences classiques. Tout l'enfer s'est déchaîné.»
Plusieurs chercheurs qui Nouveau scientifique Consulté a convenu que le nouveau cadre semble exiger un changement dramatique dans notre compréhension de la physique fondamentale – et exprimé le scepticisme quant à savoir s'il est justifié. Certes, la réclamation est suffisamment audacieuse pour inviter à un examen minutieux.
L'expérience à double fente a également joué un rôle historique dans l'établissement du concept de dualité onde-particules car il a été réalisé avec non seulement des photons mais aussi des électrons, des atomes et même des molécules. Chacun a produit le modèle d'interférence classique.
Ce schéma peut être dérivé des mathématiques des vagues, et a toujours été considéré comme un phénomène de vague, donc les physiciens quantiques précoces ont trouvé surprenant que toute particule – une entité aux propriétés opposées à celles d'une vague – puisse le produire. L'idée de la dualité vague-particules posait que tout dans notre monde peut présenter des propriétés en forme d'onde et en forme de particules en fonction des circonstances, tout simplement pas en même temps. Bien que cela soit largement accepté parmi les physiciens contemporains, il fait partie des caractéristiques les plus mystérieuses de la théorie quantique.
Mais il est peut-être temps de repenser. «Je trouve cette perspective extrêmement intrigante. Bien que l'on puisse certainement continuer à interpréter des phénomènes d'interférence impliquant des champs classiques et des photons uniques en termes de vagues annulant et se renforçant mutuellement, cette nouvelle approche semble offrir un cadre plus complet et cohérent – en s'appuyant uniquement sur la nature des particules de la lumière», explique Marco Bellini au National Institute of Optique en Italie.
REMPE dit que le nouveau cadre peut également clarifier pourquoi certaines modifications de l'expérience à double fente semblent avoir des résultats inattendus. Par exemple, si un détecteur est ajouté à l'une des fentes afin que les chercheurs puissent dire quand un photon l'a passé, l'écran cesse d'enregistrer un modèle d'interférence. Au lieu de cela, il montre un point lumineux derrière chaque fente, ce qui est attendu d'une particule plutôt que d'une onde. Comment l'ajout du détecteur peut-il faire une vague électromagnétique pour devenir un flux de photons?
«L'idée que l'observateur peut changer la réalité ou la direction du photon, cela semble un peu mystique, mais selon notre théorie, cela ne se produit plus», explique Villas-Boas. Cette question de savoir comment l'acte d'observation affecte les objets quantiques a été à l'origine d'un débat complexe et largement non résolu. Mais la conception de la lumière comme seule une particule pourrait la résoudre.
Christopher Gerry au Lehman College de New York dit que l'idée que certains états de lumière peuvent être «sombres» précède la nouvelle œuvre. «Je pense que c'est une idée intéressante, mais je pense que ce sera également controversé. Il sera intéressant de voir si cette approche peut être étudiée expérimentalement.
À ce stade, il n'est pas clair si cette réinterprétation radicale pourrait révéler de nouveaux phénomènes basés sur la lumière ou conduire à de nouveaux tests de physique quantique, explique Luis Sánchez-Soto à l'Université Complutense de Madrid. «Ma question principale est:« À quoi? Pour moi, je comprends que vous présentez un nouveau formalisme élégant, mais donnez-moi plus », dit-il.
Villas-Boas dit qu'un test expérimental préliminaire avec un seul atome chargé a déjà été achevé et ajoute du poids aux idées de son équipe: il a montré que les états brillants et sombres des phonons, ou des paquets de vibration en forme de particules, peuvent également être utilisés pour expliquer l'interférence. Villas-Boas travaille également sur la réanalyse d'un type de laser qui émet des impulsions – plutôt qu'un même faisceau – en termes de photons sombres et brillants. Peut-être que de tels lasers sont également faits de grappes de photons brillants et sombres, si le modèle de l'équipe est correct.
Bellini dit qu'il serait également intéressant d'explorer des moyens de «voir» les photons sombres, peut-être avec un nouveau type de détecteur. Bien que REMPE dit que de nombreuses questions subsistent sur la façon dont le nouveau cadre pourrait s'appliquer aux expériences avec une lumière plus complexe que l'expérience à double fente, et même sur la façon dont les yeux humains interagissent avec les photons, il dit que l'équipe est confiante dans ses résultats.
«Je dirais que si vous lisez les manuels standard, nous devrions ajouter un chapitre», dit-il.
