fentes de Young, interférences d`une particule avec elle-même

fentes de Young, interférences d’une particule avec elle-même
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l’expérience de Young, aussi célèbre que surprenante ;
démystification
Considérons une expérience de Young conduite avec un canon à électrons, un écran percé de
deux fentes et des détecteurs de présence d’électrons rangés les uns à côté des autres dans un plan
d’observation. Young a réalisé son expérience non pas avec un canon à électrons, mais avec une
source de lumière et les interférence visibles à l’oeil nu sur l’écran d’observation ont confirmé la
nature ondulatoire de la lumière. Une onde peut se partager, passer par les deux fentes, et les
deux pinceaux issus des deux fentes renforcent l’ombre ou la lumière sur l’écran d’observation selon
qu’ils sont en opposition de phase ou en phase. On observe une addition d’amplitudes d’ondes qui
inspirera l’addition d’amplitudes de probabilité en mécanique quantique. Pourquoi la terminologie
a-t-elle changé ? Ce n’est pas du fait de Schrödinger ou de Louis de Broglie mais plutôt du fait de
Born. Ce dernier est convaincu sur la base de diverses expériences que l’électron est une particule,
et plutôt que d’accepter un changement de nature, de particule en onde, il suggère d’interpréter
l’amplitude d’onde comme étant une amplitude de probabilité, et l’énergie de l’onde, c’est à dire le
carré du module de l’amplitude, comme une probabilité. Born est conscient que sa suggestion remet
en cause le déterminisme.
Et de fait, des physiciens de renom, Schrödinger lui-même, de Broglie, Einstein, refusent de tenir
cette interprétation comme le mot de la fin tandis que d’autres, Bohr, Heisenberg, Pauli, vont la
défendre comme un des fondements de la mécanique quantique.
Poincaré, le véritable ancêtre lointain, et de Broglie, exceptés, les fondateurs de la mécanique
quantique sont de culture Allemande, et ils ne peuvent ignorer les vues de Kant, certes alors décédé
depuis un siècle, mais dont le prestige reste immense. C’est Pauli qui se charge d’écrire la critique
de ”la critique de la raison pure.”. Selon Kant, nous ne pouvons tenir des propos raisonnables que
si le monde est déterministe, les mêmes causes produisant les mêmes effets.
Dans le berceau germanique, Bohr, Born, Pauli, Heisenberg, Von Neumann ont si bien travaillé
qu’ils ont pulvérisé tous les adversaires, de sorte que le paradigme de Kant est aujourd’hui totalement
abandonné, et ceux qui en éprouvent quelques regrets ne sont que des attardés incapables de comprendre les implications de la mécanique quantique. Dans le confort du nouveau paradigme, on peut
suggérer que l’électron est à la fois une onde et une particule, ce qui est contradictoire, ou bien que
la matière, toute la matière, les électrons et les autres particules, ne peut pas être comprise dans les
concepts Kantiens de temps et d’espace, elle émerge peut-être d’un niveau différent, tel que le niveau
de la pensée. Quelques auteurs, inspirés par Everett, n’ont même plus conscience qu’ils suggèrent des
billevesées. La mécanique quantique n’implique en rien ces vues douteuses. Elle se borne à donner
la probabilité des réponses des détecteurs d’électrons. Nous ne voyons pas les électrons à l’oeil nu,
ces détecteurs sont des auxiliaires nécessaires de l’expérience de Young considérée.
Comment fonctionne un détecteur, contraint par les principes eux-mêmes de la mécanique quantique ? Supposons que le détecteur soit une petite boı̂te et soit sensible au passage d’un électron au
travers de cette boı̂te, plus exactement soit sensible à l’énergie totale, masse incluse, de la particule
qui traverse cette boı̂te. Selon le principe le plus certain de la mécanique quantique, le principe d’in1
certitude, il est impossible de déterminer une énergie à une date précise, il faut élargir l’intervalle de
temps d’observation pour accroı̂tre la précision sur la mesure de l’énergie. La précision d’un détecteur
est donc nécessairement limitée. Si les électrons passent bien détachés les uns des autres dans une
grande boı̂te, ses réponses seront exactes, mais si on le questionne sur le passage d’un électron dans
un intervalle de temps toujours plus petit ses réponses deviendront fausses, disons hasardeuses.
Il y a pire et pour nous faire comprendre, nous allons dire d’abord quelques mots des billes
blanches et rouges du jeu de billard. La blanche heurte une rouge et, pour tous les joueurs de
billard, au cours du choc, la blanche reste blanche, la rouge reste rouge et les deux billes restent
rondes. Ce dernier point est complètement faux, rien ne résiste à un choc et les billes s’ovalisent
lors du choc, puis reprennent leur forme initiale tant que les contraintes dans l’ivoire sont restées
inférieures à la limite élastique.
L’ovalisation est infime, sa durée est brève de sorte que le phénomène n’est pas perceptible par
les joueurs. Cependant, il existe bel et bien selon les lois de la mécanique classique.
Nous avons évoqué, à propos du franchissement des barrières de potentiel et du principe d’incertitude, un espace non pas vide mais peuplé de particules ténues. Imaginons les électrons de
notre expérience de Young dans ce nuage omni présent de particules. Il est raisonnable d’imaginer
quelques rencontres ressemblant à des chocs, et supposons, nous avançons là une hypothèse nullement
audacieuse mais nouvelle, supposons que, lors du choc, l’électron change d’état, disons s’ovalise, par
exemple, en termes imagés, l’état ovale, instable, étant de persistance limitée à lÕintervalle de temps
entre chocs successifs. Associons au changement d’état, sur cette durée, une oscillation d’énergie,
c’est-à-dire oscillation de masse de cet électron.
Revenons maintenant au détecteur d’électrons. Il peut se faire que l’électron qui le traverse
soit dans l’état instable, d’énergie différente de l’état antérieur, et que en raison de cette énergie
distincte, le détecteur l’ignore. Parlons de couleurs au lieu d’énergies, les images sont plus explicites.
Le détecteur est peint en gris. Quant il voit passer une bille blanche, il la détecte. Quant il voit
passer une bille noire, il la détecte pareillement. Quant deux billes le traversent simultanément, si ce
sont deux blanches il est ébloui et les compte pour quatre, si ce sont deux noires, il est aveuglé et les
compte également pour quatre, mais, si c’est une blanche et une noire, le couple est gris et sur le fond
gris, le détecteur ne peut pas les voir. Enfin, quant une bille change de couleur à l’intérieur même
du détecteur, qu’elle soit blanche virant au noir, ou noire virant au blanc, elle semble grise et le
détecteur ne voit rien passer. C’est ce dernier trait qui permet d’expliquer aisément les interférences
d’une particule avec elle-même, disons la figure sur l’écran d’observation des impacts d’électrons
envoyés successivement un par un, bien détachés. Nous venons de présenter le schéma explicatif des
interférences. Il permet de traiter les nombreux cas expérimentés ou envisagés par les physiciens
depuis la naissance de la mécanique quantique.
La mécanique quantique engendre une excellente description des interférences, mais ce n’est pas
une description des points d’impact des électrons sur un écran, c’est une description des réponses de
détecteurs d’électrons voisins de cet écran. Les phénomènes d’interférence sont le reflet des erreurs
de détecteurs, erreurs engendrées par la présentation des électrons dans les détecteurs sous deux
états distincts, états induits eux-mêmes par l’interaction des électrons avec les particules du milieu
naturel.
Résumons nous : Tous les aspects mystérieux de l’expérience de Young, effets parfaitement incompréhensibles selon Feynman, sont expliqués logiquement par la présence du nuage universel de
particules ténues, par l’existence d’états distincts de l’électron induits par un choc avec une de
ces particules, enfin par l’influence de ces états distincts sur le fonctionnement des détecteurs de
présence d’électrons. Ces détecteurs sont excités ou non selon l’énergie de lÕélectron liée elle-même
à son état. Renverser un paradigme est une entreprise immense, décourageante par son immensité.
Nous sommes parfaitement conscients que la mécanique quantique a le statut d’un dogme, le statut
qu’avait la gravitation Newtonienne deux siècles auparavant et qu’elle a perdu.
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Nous avons porté un regard neuf sur les fondements de la mécanique quantique, celui d’un
mathématicien, et recherché sans cesse comment conserver des résultats physiques indubitables avec
des prémisses autres, compréhensibles au regard de la logique mathématique à laquelle nous faisons
confiance.
Paris, le 1 juin 2010, R. L. Charreton, revu le 14 avril 2013
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