L’histoire de la « double fente », l’expérience qui contient tout le mystère de la quantique

En 1801, le physicien britannique Thomas Young réalise une expérience devenue célèbre avec deux fentes percées dans un carton. Il observe sur un mur des franges d’interférences, c’est-à-dire des bandes alternant clair et sombre. Cette expérience prouve que la lumière se comporte comme une onde, et non comme une particule. Si la lumière était composée de particules, on observerait simplement deux taches lumineuses alignées avec les fentes. Young utilise des moyens rudimentaires, mais son expérience devient la preuve expérimentale canonique du comportement ondulatoire de la lumière. Cette découverte marque le premier acte de l’histoire de la double fente, bien avant l’ère quantique.

Au début du XXe siècle, la mécanique quantique émerge comme théorie décrivant la matière aux échelles les plus petites. En 1924, le physicien français Louis de Broglie propose l’hypothèse que toute particule de matière possède aussi un comportement d’onde, une idée révolutionnaire. Dans les années 1960, le physicien américain Richard Feynman utilise la double fente pour illustrer ce comportement quantique, en remplaçant la lumière par des électrons. Contrairement aux prévisions classiques, les électrons envoyés un par un forment un motif d’interférence, comme s’ils passaient par les deux fentes simultanément. Feynman qualifie cette expérience de « plus mystérieuse de la physique quantique ». Il s’agit d’une expérience de pensée, mais son formalisme mathématique prédit des résultats vérifiables.

Lorsque des électrons sont envoyés un par un vers une double fente, chaque particule semble passer par les deux fentes à la fois, comme si sa fonction d’onde (une description probabiliste de son état) interférait avec elle-même. Ce phénomène produit des franges d’interférence sur un écran, malgré l’absence d’interaction entre les électrons. Si l’on place un détecteur pour mesurer par quelle fente passe chaque électron, les franges disparaissent. Ce phénomène, appelé effondrement de la fonction d’onde, illustre le rôle de l’observation en mécanique quantique. La simple mesure force le système à quitter son état superposé, un processus nommé décohérence quantique. Ce comportement défie l’intuition classique et reste au cœur des débats sur la nature de la réalité.

En 1961, le physicien allemand Claus Jönsson réalise la première expérience réelle avec des électrons et une double fente, confirmant les prédictions de Feynman. Cependant, son travail, publié en allemand, reste méconnu jusqu’en 1974. En 1974, les Italiens Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli et Giulio Pozzi envoient des électrons un par un à travers un biprisme (une paire de fentes virtuelles) et filment la construction progressive des franges d’interférence. En 1989, les Japonais Akira Tonomura et son équipe reproduisent l’expérience avec un biprisme, mais leur travail est plus médiatisé. En 2013, l’équipe de Roger Bach à l’Université du Nebraska-Lincoln réalise enfin l’expérience décrite par Feynman : un canon à électrons envoie des particules un par un à travers de vraies fentes, confirmant définitivement les prédictions quantiques.