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Avec une démonstration qui a renversé les idées reçues d’Isaac Newton sur la nature de la lumière, elle était incroyablement simple. Le physicien anglais Thomas Young a déclaré aux membres de la Royal Society de Londres en novembre 1803 qu’il «pourrait être répété avec une grande facilité partout où le soleil brille», décrivant ce que l’on appelle maintenant une expérience à double fente (ou Fentes de Young). Il avait mis au point une expérience convaincante et résolument simple pour démontrer la nature ondulatoire de la lumière, réfutant ainsi la théorie de Newton selon laquelle la lumière est constituée de corpuscules ou de particules.

La lumière est composée de photons

Mais la naissance de la physique quantique au début des années 1900 a clairement démontré que la lumière est composée de petites unités indivisibles, ou quanta, d’énergie, appelées photons. L’expérience de Young, lorsqu’elle est réalisée avec des photons uniques ou même des particules uniques de matière, telles que les électrons et les neutrons, soulève des questions fondamentales sur la nature même de la réalité. Certains l’ont même utilisé pour soutenir que le monde quantique était influencé par la conscience humaine, donnant à notre esprit une place dans l’ontologie de l’univers. Mais l’expérience simple de Young démontre-t-elle vraiment cela ?

Dans la forme quantique moderne, l’expérience de Young consiste à envoyer des particules individuelles de lumière ou de matière à deux fentes ou ouvertures découpées dans une barrière par ailleurs opaque. De l’autre côté de la barrière se trouve un écran qui enregistre l’arrivée des particules (par exemple, une plaque photographique dans le cas des photons). Le bon sens nous amène à nous attendre à ce que les photons passent par une fente ou une autre et s’accumulent derrière chaque fente.

Cependant, ils ne le font pas; plutôt, ils vont à certaines parties de l’écran puis vers d’autres, créant des bandes alternées de lumière et d’obscurité. Ces franges d’interférence, sont ce que vous obtenez lorsque deux séries d’ondes se chevauchent. Lorsque les crêtes d’une vague sont alignées avec les crêtes d’une autre, vous obtenez une interférence constructive (bandes lumineuses) et lorsque les crêtes s’alignent avec les creux, vous obtenez une interférence destructive (obscurité).

Les photons semblent traverser les deux fentes à la fois

Mais il n’y a qu’un seul photon à travers l’appareil à tout moment. C’est comme si le photon traversait les deux fentes à la fois et interférait avec lui-même. Cela n’a pas de sens. Mathématiquement parlant, cependant, ce qui traverse les deux fentes n’est pas une particule physique ou une onde physique, mais une fonction appelée onde, une fonction mathématique abstraite qui représente l’état du photon (dans ce cas, sa position).

La fonction d’onde se comporte comme une onde. Il frappe les deux fentes, et de nouvelles vagues émanent de chaque fente de l’autre côté, se propagent et finissent par interférer les unes avec les autres. La fonction d’onde combinée peut être utilisée pour déterminer les probabilités de trouver le photon.

Le photon a une forte probabilité d’être trouvé là où les deux fonctions d’onde interfèrent de manière constructive et qu’il est peu probable qu’il soit trouvé dans des régions d’interférence destructive. La mesure – dans ce cas l’interaction de la fonction d’onde avec la plaque photographique – est dite «effondrer» la fonction d’onde. Il sera étalé avant la mesure à l’un des endroits où le photon se matérialise lors de la mesure.

De nombreuses difficultés conceptuelles

Cet effondrement est à l’origine de nombreuses difficultés conceptuelles en mécanique quantique. Avant l’effondrement, il est impossible de dire avec certitude où le photon va atterrir; il peut apparaître à n’importe quel endroit de probabilité non nulle. Il n’y a aucun moyen de tracer la trajectoire du photon de la source au détecteur. Le photon n’est pas réel en ce sens qu’un avion volant de Paris à Montréal est réel.

Werner Heisenberg, entre autres, a interprété les mathématiques comme signifiant que la réalité n’existe pas tant qu’elle n’a pas été observée. « L’idée d’un monde réel objectif dont les plus petites parties existent objectivement dans le même sens que des pierres ou des arbres, indépendamment du fait que nous les observions ou non est impossible », a-t-il écrit. John Wheeler, lui aussi, a utilisé une variante de l’expérience à double fente pour affirmer qu ’« aucun phénomène quantique élémentaire n’est un phénomène tant qu’il ne s’agit d’un phénomène «observé», ou «enregistré de manière indélébile».

Un observateur serait indispensable pour donner un sens au monde quantique

Mais la théorie quantique n’est pas claire sur ce qui constitue une «mesure». Elle postule simplement que le dispositif de mesure doit être classique, sans définir où se situe la frontière entre le classique et le quantique. En mai dernier, Henry Stapp et ses collègues ont fait valoir, dans ce forum, que l’expérience à double fente et ses variantes modernes apportaient la preuve qu’un «observateur conscient peut être indispensable» pour donner un sens au monde quantique et qu’un esprit transpersonnel sous-tend le monde matériel.

Mais ces expériences ne constituent pas des preuves empiriques. Dans l’expérience à double fente effectuée avec des photons uniques, tout ce que l’on peut faire, c’est de vérifier les prédictions probabilistes des mathématiques. Si les probabilités sont vérifiées au cours de l’envoi de dizaines de milliers de photons identiques à travers la double fente, la théorie prétend que la fonction d’onde de chaque photon s’est effondrée grâce à un processus mal défini appelé mesure.

Un photo est à la fois une onde et une particule

En outre, il existe d’autres moyens d’interpréter l’expérience à double fente. Prenons la théorie de Broglie-Bohm, selon laquelle la réalité d’un photon est à la fois une onde et une particule. Un photon se dirige vers la double fente avec une position définie à tout moment et traverse une fente ou l’autre; ainsi chaque photon a une trajectoire. Il conduit une onde pilote, qui traverse les deux fentes, interfère puis guide le photon vers un emplacement d’interférence constructive.

En 1979, Chris Dewdney et ses collègues du Birkbeck College de Londres ont simulé la prédiction de cette théorie concernant les trajectoires des particules traversant la double fente. Au cours de la dernière décennie, des expérimentateurs ont vérifié l’existence de telles trajectoires, mais en utilisant une technique controversée appelée mesures faibles. En dépit de cette controverse, les expériences ont démontré que la théorie de Broglie-Bohm demeurait valable pour expliquer le comportement du monde quantique.

Les théories d’effondrement ne prétendent pas non plus que les fonctions d’onde s’effondrent de manière aléatoire: plus le nombre de particules dans le système quantique est élevé, plus l’effondrement est probable. Les observateurs découvrent simplement le résultat. L’équipe de Markus Arndt à l’Université de Vienne en Autriche a testé ces théories en envoyant des molécules de plus en plus grandes à travers la double fente. Les théories d’effondrement prédisent que lorsque les particules de matière deviennent plus massives que certains seuils, elles ne peuvent pas rester dans une superposition quantique consistant à traverser les deux fentes à la fois, ce qui détruirait le modèle d’interférence.

L’équipe d’Arndt a envoyé une molécule avec plus de 800 atomes à travers la double fente, et ils ont vu encore des interférences. La recherche du seuil se poursuit encore de nos jours. Roger Penrose a sa propre version d’une théorie de l’effondrement, selon laquelle plus la masse de l’objet en superposition est massive, plus vite elle s’écroule dans un état ou un autre, à cause des instabilités gravitationnelles. Encore une fois, c’est une théorie indépendante de l’observateur. Aucune conscience n’est nécessaire. Dirk Bouwmeester, de l’Université de Californie à Santa Barbara, a testé l’idée de Penrose avec une version de l’expérience à double fente.

Différents types de motifs d’interférence

D’un point de vue conceptuel, l’idée est de ne pas simplement placer un photon dans une superposition de deux fentes à la fois, mais aussi de placer l’une des fentes dans une superposition se trouvant à deux endroits à la fois. Selon Penrose, la fente déplacée restera superposée ou s’effondrera pendant que le photon la traversera, entraînant différents types de motifs d’interférence. L’effondrement dépendra de la masse des fentes. Bouwmeester travaille avec cette expérience depuis une décennie et pourrait bientôt être en mesure de vérifier ou de réfuter les affirmations de Penrose.

À tout le moins, ces expériences démontrent que nous ne pouvons pas encore prétendre comprendre la nature de la réalité, même si les précédentes revendications sont bien motivées sur le plan mathématique ou philosophique, et étant donné que les neuroscientifiques et les philosophes de l’esprit ne sont pas d’accord sur la nature de la conscience, ils affirment que celle-ci s’effondre, et que les fonctions des ondes sont prématurées et trompeuses.

Crédit photo : Wikipédia
Source : Scientific American