Tout le mystère de la physique quantique est résumé dans cette unique expérience

En 1801, le physicien britannique Thomas Young réalise une expérience classique avec deux fentes percées dans un carton. En éclairant ces fentes, il observe sur un mur des franges d’interférences, c’est-à-dire des alternances de bandes claires et sombres. Cette observation prouve que la lumière se comporte comme une onde et non comme une particule. En effet, si la lumière était composée de particules, on observerait simplement deux taches lumineuses alignées avec les fentes. Young utilise un laser de poche et un cheveu pour reproduire cette expérience à la maison. Cette expérience historique, publiée en 1807, devient la preuve expérimentale que la lumière est une onde. Les franges d’interférences résultent de la superposition de deux ondes lumineuses, un phénomène appelé interférence constructive (bandes claires) ou interférence destructive (bandes sombres).

Au début du XXe siècle, la physique quantique émerge avec des scientifiques comme Louis de Broglie, qui propose en 1924 que toute particule de matière possède aussi un comportement d’onde. En 1961, Richard Feynman, physicien américain, utilise l’expérience de la double fente pour illustrer ce concept avec des électrons. Contrairement à l’expérience de Young, Feynman décrit une expérience de pensée où des électrons sont envoyés un par un vers deux fentes. On s’attend à voir deux taches sur un écran, mais on observe à la place des franges d’interférences. Cela prouve que les électrons, comme la lumière, se comportent comme des ondes. La fonction d’onde décrit ce comportement probabiliste : elle permet à l’électron de passer simultanément par les deux fentes et de créer des interférences. Feynman considère cette expérience comme la clé pour comprendre les mystères de la physique quantique.

Si on place un détecteur pour mesurer par quelle fente passe chaque électron, les franges d’interférences disparaissent. Le simple fait de mesurer force le système quantique à interagir avec l’appareil de mesure, ce qui détruit la superposition des états et provoque l’effondrement de la fonction d’onde. Ce phénomène, appelé décohérence quantique, montre que l’observation modifie le comportement des particules. Tant qu’on ne regarde pas, les particules adoptent des comportements étranges et probabilistes. Dès qu’on les observe, elles se comportent comme des objets classiques. Cette idée, centrale en physique quantique, illustre le principe d’incertitude de Heisenberg et la nature probabiliste de la réalité à l’échelle quantique.

L’expérience de la double fente évolue au fil du temps. En 1961, Claus Jönsson réalise pour la première fois l’expérience avec de vrais électrons et de vraies fentes, mais ses résultats ne sont traduits en anglais qu’en 1974. En 1974, des physiciens italiens, Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli et Giulio Pozzi, envoient des électrons un par un à travers un biprisme et filment la construction des franges d’interférences. En 1989, une équipe japonaise chez Hitachi reproduit cette expérience. Cependant, en 2002, un concours organisé par la revue Physics World désigne à tort l’expérience japonaise comme la plus belle expérience de physique de tous les temps, alors que l’expérience italienne l’a précédée de quinze ans. En 2013, une équipe de l’Université du Nebraska à Lincoln réalise enfin l’expérience décrite par Feynman : un canon à électrons envoyant des particules un par un à travers de vraies fentes.