Physique Quantique : de la base aux nouvelles technologies
CoursOutils transverses

1 – Photon : onde ou corpuscule ?

Les fentes d'Young ou l'impuissance du raisonnement classique

Le concept révolutionnaire introduit par Einstein a permis d’expliquer de façon extrêmement simple l’effet photoélectrique, mais il plonge les scientifiques dans le doute et l’incompréhension. Jusqu’alors la lumière était une onde non localisée, ce qui permettait ainsi d’expliquer les phénomènes d’interférences optiques. Mais comment comprendre ces phénomènes si on considère maintenant la lumière faîte de corpuscules appelés photon d’énergie ?

Pour répondre à cette question, reprenons l'expérience des fentes d'Young que vous connaissez. On envoie un rayonnement électromagnétique monochromatique sur une plaque percée de deux petites fentes (de largeur analogue à la longueur d'onde du rayonnement), et on récolte l'image sur un écran. Vous avez traité ce problème en considérant le rayonnement comme une onde diffractée par les trous, et en calculant la somme de l'amplitude des ondes en un point P de l'écran. Vous avez trouvé que la somme de l'amplitude de ces ondes donne lieu à des interférences constructives ou destructives conduisant à des franges (figure 5).

Figure 5 : Expérience des fentes d'Young. Si l'une des deux fentes est fermée, on observe l'image de diffraction d'une seule fente. Lorsque les deux fentes sont ouvertes, on observe une image d'interférence des ondes provenant des deux fentes
Figure 5 : Expérience des fentes d'Young. Si l'une des deux fentes est fermée, on observe l'image de diffraction d'une seule fente. Lorsque les deux fentes sont ouvertes, on observe une image d'interférence des ondes provenant des deux fentes

Voir l'animation : Les fentes d'Young

Maintenant essayons de raisonner avec des particules. Notre rayonnement incident est alors fait d’un grand nombre de particules qui peuvent passer par l’un ou l’autre trou et avoir des trajectoires particulières telles qu’on détectera beaucoup de photons sur les raies intenses et peu sur les zones éteintes de l’image d’interférence. Est-ce correct ? Eh bien faisons l’expérience, en amenant un flux de photons faible de telle manière qu’il est possible de voir l’impact des photons sur le détecteur. Effectivement, on voit l’impact des photons sur l’écran qui confirme bien leur aspect corpusculaire. Et on se rend compte alors d’un fait peu étonnant mais relativement nouveau : la figure d’interférence ne se forme pas immédiatement, mais petit à petit, au fur et à mesure que le nombre d’impacts grandit (figure 6). On met donc ici le doigt sur une notion importante qui n’apparaît pas si on raisonne de façon ondulatoire, à savoir que ce phénomène possède un caractère probabiliste. Ajoutons qu’ici cette expérience n’a aucune raison a priori de dépendre du flux de photons. Donc si j’envoie les photons un par un, mon image d’interférence se formera tout du même.

t1
t1
t2
t2
t3Figure 6 : formation au cours du temps de la figure d'interférence. L'impact sur l'écran des particules prouve l'aspect corpusculaire des photons, la figure d'interférence l'aspect ondulatoire
t3Figure 6 : formation au cours du temps de la figure d'interférence. L'impact sur l'écran des particules prouve l'aspect corpusculaire des photons, la figure d'interférence l'aspect ondulatoire

Voir l'animation : Expérience des fentes d'Young

Cette expérience montre également un aspect d'une grande importance pour la compréhension. Considérons une source ponctuelle qui émet un rayonnement isotrope dans l'espace. Vous avez eu alors l'habitude de "visualiser" ce champ rayonné en dessinant des sphères iso-champs ou iso-énergie centrées sur la source ponctuelle. Nous voyons ici que cette construction a un sens uniquement si un grand nombre de photons sont émis, mais pas si un seul photon est émis. En effet, ce photon ne peut occuper tout l'espace pour la raison suivante : s'il est détecté à un endroit donné, par un détecteur ponctuel, il ne pouvait pas être ailleurs, sinon cela voudrait dire qu'il est allé plus vite que la lumière. Ce raisonnement montre également que le photon n'est pas divisible .

Influence de la mesure

Mais cet aspect ondulatoire soulève un problème inextricable en physique classique : en effet, si on raisonne de façon ondulatoire, l’onde est passée par les deux trous en même temps. Mais d’un point de vue corpusculaire, que dire ? Le photon est-il passé par les deux trous en même temps ? Pour répondre, rien de plus simple, mettons des détecteurs qui font " bip " juste à la sortie des trous, et envoyons un photon. Si les deux détecteurs font bip en même temps, il est passé par les deux trous. Sinon non. Que dit l’expérience ? Les deux détecteurs ne se déclenchent jamais en même temps ! On est donc bien en accord avec l’aspect corpusculaire et non l’aspect ondulatoire ! Attention, nous n’avons pas fini de décrire complètement les observations de cette expérience. En effet, on se rend compte expérimentalement que si jamais on détecte par où est passé le photon la figure d’interférence disparaît !

Voir l'animation : Expérience des fentes d'Young avec des photons

On lève là un deuxième point totalement nouveau : plus on cherchera à savoir par où est passé le photon, moins on aura de chance de " fabriquer " l’image d’interférence. Cette idée est difficile à admettre, même Einstein n’y croyait pas et a proposé des expériences toujours plus ingénieuses pour mettre en doute cet état de fait. Jusqu'à présent, toutes les expériences sont en accord avec cet état de fait : on n'a jamais pu détecter par où passait le photon tout en conservant l'image d'interférence.

2 – Les particules matérielles sont-elles des ondes ? (page suivante)Cours (page Précédente)
AccueilImprimerRéalisé avec SCENARI