Une expérience de physique emblématique utilisée pour démontrer les propriétés étranges du monde quantique est aujourd’hui encore plus étrange que nous le pensions. Non seulement elle pourrait nous obliger à repenser certains aspects fondamentaux de la mécanique quantique, mais elle pourrait être la clé pour unifier enfin les deux plus grandes théories de la physique moderne.
Les physiciens ont trouvé des preuves qu’un élément clé de l’expérience classique de la “double fente” pourrait être testé, et comme il semble violer les lois actuelles de la physique, le tester pourrait nous donner une toute nouvelle façon d’étudier les trous de la mécanique quantique.
Commençons par le commencement, avec l’expérience emblématique des doubles fentes, qui nous a donné l’un des résultats expérimentaux les plus étranges jamais observés en physique moderne.
Le concept est assez simple : vous disposez d’une planche avec une fente au milieu, et vous tirez des balles de ping-pong à travers celle-ci. Très vite, un motif apparaît sur l’écran : une ligne droite et verticale qui reflète la forme de la fente.
Si vous répétez l’expérience avec deux fentes verticales dans la planche, vous devriez obtenir deux lignes verticales sur l’écran derrière.
Ensuite, prenez la planche avec une seule fente et envoyez-y une onde (comme une onde sonore ou une onde d’eau). La vague traversera la fente et frappera l’écran à l’arrière, son point le plus intense étant directement aligné avec la fente.
En d’autres termes, le pic de l’onde frappera toujours l’écran juste derrière la fente – comme les balles de ping-pong.
Mais lorsque vous envoyez les ondes à travers des fentes doubles, elles commencent à s’entremêler et à créer ce que l’on appelle une figure d’interférence. Cela signifie qu’il n’y aura pas deux lignes claires derrière les fentes, mais un motif de plusieurs lignes avec des espaces vides entre elles. (Voir le schéma en haut de la page)
Ce n’est pourtant pas si étrange – nous savons que la matière (les balles de ping-pong) ne se comporte pas de la même manière que les ondes. Mais lorsque les physiciens ont tiré des particules comme des électrons et des photons sur la double fente, s’attendant à ce qu’elles se comportent comme de la matière, elles se sont comportées comme des ondes, produisant un motif d’interférence.
Et c’est encore plus fou que ça. Ces électrons et ces photons n’agissent pas comme de la matière, mais ils n’agissent pas non plus comme des ondes, car ils ne s’entremêlent pas pour produire une figure d’interférence.
Nous le savons parce que si vous envoyez des électrons ou des photons sur le tableau à double fente, un par un, ils finiront toujours par produire la figure d’interférence.
NekoJaNekoJa/Wikimedia
Cela devrait être impossible, car ces particules isolées ne peuvent pas savoir où la particule suivante va se positionner, ni où les particules précédentes ont abouti, alors comment diable pourraient-elles créer ce motif avec une interaction nulle ?
L’expérience illustre parfaitement le fait que le monde quantique se comporte de manière totalement différente de la matière à plus grande échelle, mais elle montre également qu’il existe de graves lacunes dans notre compréhension de la mécanique quantique, car nous ne pouvons tout simplement pas l’expliquer.
Comme l’a dit un jour le physicien théoricien Richard Feynman, cette expérience présente le “mystère central” du monde quantique.
En fait, Feynman est même allé jusqu’à l’appeler la relativité générale – “seul mystère” de la mécanique quantique, et elle pourrait être la clé pour comprendre pourquoi nos deux théories fondamentales de la physique – la mécanique quantique et tout simplement ne correspondent pas.
Curieusement, nous pouvons facilement prédire où un électron ou un photon se retrouvera sur l’écran pendant l’expérience de la double fente, même si nous ne comprenons pas du tout pourquoi ils le font.
Les prédictions reposent sur un principe appelé ” règle de Born”, mais celui-ci présente ses propres problèmes, comme l’explique Anil Ananthaswamy pourNew Scientist :
“Il n’y a pas de raison fondamentale pour que la règle de Born soit valable. Elle semble fonctionner dans toutes les situations que nous avons testées, mais personne ne sait pourquoi.
Certains ont tenté de la dériver de l’interprétation de la mécanique quantique selon laquelle tous les états possibles d’un système quantique pourraient exister dans différents univers parallèles, mais ces tentatives n’ont pas été concluantes”
Parce que la règle de Born ne peut être expliquée par aucune compréhension actuelle de la physique, elle pourrait être la clé pour expliquer certaines des lacunes fondamentales des lois actuelles de la mécanique quantique, et pourquoi aucun physicien n’a jamais réussi à l’associer de manière transparente à la théorie de la relativité générale d’Einstein pour créer une “théorie du tout” unificatrice et tant convoitée .
En fait, si vous parvenez à trouver comment “casser” ou violer la règle de Born, vous avez potentiellement trouvé l’endroit exact où notre compréhension actuelle de la mécanique quantique est incomplète.
“Si la règle de Born est violée, alors un axiome fondamental de la mécanique quantique a été violé, et cela devrait indiquer où il faut aller pour trouver des théories de la gravitation quantique”, a déclaré à Ananthaswarmy James Quach, de l’Institut des sciences et technologies de Barcelone, en Espagne.
Et il vient de proposer un moyen de violer la règle de Born et de tester réellement cette violation dans des expériences.
Dans son nouvel article, M. Quach décrit comment, si l’on considère toutes les possibilités d’emplacement d’un électron ou d’un photon sur l’écran lorsqu’il est tiré à travers la double fente, il pourrait y avoir des chemins bizarres, “non classiques”, qui conduiraient à différents modèles d’interférence que la règle de Born ne peut pas prévoir.
Cette règle est basée sur une proposition de Feynman lui-même, en 1948, selon laquelle “tous les chemins possibles entre des points contribuent à la fonction d’onde”, explique M. Quach.
“Cela inclut même les chemins qui passent par une fente puis par l’autre” avant de toucher l’écran, ajoute-t-il.
Cela nous donne trois chemins possibles pour la particule au lieu de deux : le premier chemin passe par la fente A ; le deuxième chemin va vers la fente B ; et le troisième chemin va vers l’écran depuis la fente B.
James Quach
“James Quach montre que si l’on tient compte des interférences entre les trois trajets, les probabilités seront différentes de ce que prévoit la règle de Born”, explique M. Ananthaswarmy.
Quach propose de tester cela en plaçant deux détecteurs après le tableau à double fente : un qui détecte si une particule est passée par la fente A ou B, et un autre qui détecte qu’une particule est passée par une ou les deux fentes, mais ne sait pas laquelle.
“L’inclusion de ces [chemins] non classiques fournit des corrections d’ordre supérieur aux modèles d’interférence”, conclut-il.
Pour être clair, sa proposition n’a pas encore fait l’objet d’un examen formel par les pairs. Il ne s’agit donc que du début d’une idée, qui a été soumise à l’examen de la communauté des physiciens sur le site Web des préimpressions, arXiv.org.
Mais il s’agit d’une idée sur laquelle les physiciens travaillent depuis plus d’un demi-siècle maintenant, et nous continuons à voir des indices que cela pourrait fonctionner.
Il faut espérer que quelqu’un va prendre Quach au mot et essayer cette chose pour de vrai, car cela pourrait révéler ce qui nous manque dans notre compréhension fondamentale de la réalité.
L’article de Quach est disponible en ligne ici, et voici plus d’informations sur l’expérience de la double fente :