La physique quantique moderne met l’accent sur la dualité onde-particule de la lumière. Cela désigne le fait que la lumière se comporte comme une onde ou une particule selon les circonstances. Découvrez l'expérience des fentes doubles qui illustre à la fois les propriétés ondulatoires et particulaires de la lumière.
Expérience du dispositif à double fente
Comprendre la configuration en utilisant des ondes d'eau
Une compréhension de base de l'expérience des doubles fentes s'obtient d'abord en regardant l'exemple des ondes de l'eau. La figure 3 montre comment les vagues d'eau se propagent en cercles à partir de deux points et comment elles se chevauchent. Chaque fois qu'un sommet de vague rencontre un autre sommet de vague, cela crée des vagues plus hautes, tandis qu'un sommet de vague qui rencontre un creux de vague entraîne l'arrêt des vagues.
Figure 1 : Interférence des vagues d'eau [1]
Figure 1 : Interférence des vagues d'eau [1]
Dans la Figure 1, les vagues d'eau peuvent être produites, par exemple, par deux tiges qui sont périodiquement immergées dans l'eau. De même, les vagues de mer venant de la gauche pourraient rencontrer une barrière avec des espaces aux deux positions d'où les vagues circulaires proviennent. Cela crée déjà une configuration à double fente. Si à l'extrémité droite du champ de vagues dans la Figure 1, il y avait un mur sur lequel les vagues dissipent leur énergie, on verrait que l'eau jaillit à différentes hauteurs sur le mur en fonction de la hauteur des vagues. La hauteur à laquelle le spray atteint suit une règle quadratique : Si une vague est deux fois plus haute qu'une autre, la première vague pulvérise l'eau sur le mur quatre fois plus haut que la seconde vague. L'intensité de l'onde augmente donc avec le carré de la hauteur de l'onde. C'est comparable à une règle en conduite : Si la vitesse est doublée, la distance de freinage devient quatre fois plus longue.
Expérience du dispositif à double fente
La figure 2 montre l'expérience de la double fente avec la lumière, où la source de lumière est monochromatique. Les deux fentes créent des ondes lumineuses circulaires qui se chevauchent, comme on le voit dans l'exemple avec l'eau. Sur le côté droit de la Figure 2, il y a une courbe jaune qui représente l'intensité de la lumière lorsqu'elle frappe un écran. Trois caractéristiques typiques de l'interférence des ondes se produisent :
- La plus haute intensité lumineuse sur l'écran se trouve derrière la section centrale de la double fente qui cache la vue de la source.
- Il y a des zones sur l'écran qui ont une vue directe de la source mais aucune lumière n'atteint cette zone.
- Il y a plus de maxima d'intensité que de fentes.
Figure 2 : Expérience de la double fente avec lumière monochromatique [2]
Expérience de la double fente avec des photons uniques
Chaque source de lumière transmet un grand nombre de particules de lumière par unité de temps. Ils sont vus comme un flux constant de lumière. Si la source de lumière est considérablement diminuée, cependant, (ce qui n'est pas facile en pratique) la source de lumière finira par cesser de donner de la lumière constamment et commencera à scintiller de manière irrégulière. Cela ne peut pas être vu à l'œil nu, mais avec l'aide d'amplificateurs de lumière similaires à des équipements de vision nocturne, cela peut être observé. Si la source de lumière est encore diminuée, elle ne s'illuminera que brièvement de temps à autre et entre ces intervalles, elle restera sombre pendant des périodes de plus en plus longues. Si la conception de la source lumineuse est correcte, chaque éclat de lumière est un seul photon – une particule de lumière. Ces photons uniques peuvent être dirigés vers une double fente comme montré dans la Figure 2. Au lieu d'un écran, un détecteur très sensible sera utilisé ici, similaire à ceux utilisés dans les caméras numériques modernes mais considérablement plus sensible. Ce détecteur sera appliqué avec de longs temps d'exposition, généralement des minutes ou plus. Avant qu'il ne soit possible de réaliser cette expérience, la plupart des physiciens croyaient que les photons uniques ne montreraient aucune interférence et que l'interférence était un effet cumulatif de nombreux photons qui s'influencent tous mutuellement. La figure 3 montre le résultat de cette expérience. Il est important de se rappeler que dans cette expérience, il n'y a qu'une seule particule de lumière à la fois se propageant à travers le dispositif de test. Aucune autre particule de lumière ne peut influencer cette particule de lumière sur son chemin à travers le dispositif.
Figure 3 : Expérience de la double fente avec des photons uniques [3]
L'image en haut à gauche de la Figure 3 est le résultat après un court temps d'exposition, après qu'environ 100 photons aient atterri sur le détecteur. Chaque point de lumière représente un photon, qui se comporte comme une particule ici : il frappe exactement une position – un pixel de détecteur. Si la propriété ondulatoire dominait, chaque photon serait réparti sur toute la surface du détecteur, tout comme une vague de mer ne frappe pas la plage à un seul point mais sur toute la longueur de la plage. L'image en haut à gauche montre que les photons sont distribués de manière aléatoire sur le détecteur, ce qui n'est valable qu'avec des restrictions à des temps d'exposition plus longs, comme on le verra : Avec l'augmentation du temps d'exposition – dans la Figure 3 en haut au milieu et en haut à droite, et encore de gauche en bas à droite – il devient clair que les photons atterrissent à des positions aléatoires mais avec une distribution de probabilité en forme d'onde. Un long temps d'exposition avec un grand nombre de photons détectés conduit à l'image d'interférence que nous connaissons d'une source de lumière monochromatique normale à la double fente. La nature se comporte donc de manière cohérente. Cependant, la question se pose de savoir comment cette probabilité de positionnement des photons, distribuée de manière ondulatoire, peut être expliquée lorsqu'il n'y a qu'une seule particule à la fois dans le dispositif de test. L'explication simplifiée est que le photon se comporte comme une onde à la double fente, cette onde passe à travers les deux fentes et interfère avec elle-même derrière la double fente. Si la situation est décrite selon l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, alors ce n'est pas le photon qui interfère – car il n'y a aucune information sur l'existence et le comportement du photon entre la source et le détecteur. Ce qui interfère, c'est la fonction d'onde du photon, une entité mathématique abstraite dont le carré de la valeur absolue détermine la probabilité d'atterrir sur les différents éléments du détecteur. Quoi qu'il en soit, à la double fente, il y a un comportement ondulatoire tandis que le photon se comporte comme une particule au détecteur. Cela signifie que la dualité onde-particule de la lumière peut être clairement observée dans cette configuration.
La dualité onde-particule dans l'industrie
Deux exemples de la dualité onde-particule de la lumière peuvent être trouvés dans le laboratoire analytique :
- Analyseurs de particules qui mesurent la taille des particules en utilisant le principe de diffusion dynamique de la lumière
- Système de diffusion des rayons X aux petits angles
Dans les deux instruments de mesure, les photons incidentels du faisceau primaire excitent les électrons faiblement liés dans l'échantillon afin qu'ils résonnent. Alors que les électrons excités dans l'échantillon résonnent de manière cohérente et transmettent des ondes, ces ondes interfèrent avec les ondes incidentes et créent un motif d'interférence. La propriété ondulatoire des photons se met en avant. Le détecteur détecte le signal d'interférence sous forme de photons uniques, donc leur propriété de particule domine à nouveau. Le signal du détecteur est utilisé pour déterminer la taille des particules et la structure des échantillons dans la plage des nanomètres. En savoir plus sur la nature de la lumière.
