Physique quantique : les expériences

Fentes d’Young : 

Les fentes de Young (ou interférences de Young) désignent en physique une expérience qui consiste à faire interférer deux faisceaux de lumière issus d’une même source, en les faisant passer par deux petits trous percés dans un plan opaque. Cette expérience fut réalisée pour la première fois par Thomas Young en 1801 et permit de comprendre le comportement et la nature de la lumière. Sur un écran disposé en face des fentes de Young, on observe un motif dediffraction qui est une zone où s’alternent des franges sombres et illuminées.

Cette expérience permet alors de mettre en évidence la nature ondulatoire de la lumière. Elle a été également réalisée avec de la matière, comme les électrons, neutrons, atomes, molécules, avec lesquels on observe aussi des interférences. Cela illustre la dualité onde-particule : les interférences montrent que la matière présente un comportement ondulatoire, mais la façon dont ils sont détectés (impact sur un écran) montre leur comportement particulaire.

Expérience de Davisson et Germer :

En physique quantique, l’expérience de Davisson-Germer1 a fourni une preuve critique qui confirme l’hypothèse de De Broglie postulant que les particules, comme les électrons, pouvaient se comporter comme des ondes (dualité onde-corpuscule). De manière plus générale, elle a aidé à étayer l’acceptation de lamécanique quantique et de l’équation de Schrödinger.
En 1927, Clinton Davisson et Lester Germer ont bombardé une cible de nickel cristallin par des électrons lents de 54 volts, soit une vitesse de 4 000 km/s. La dépendance angulaire de l’intensité électronique réfléchie a été mesurée, et sa figure de diffraction a été identifiée comme identique à celle prédite par William Henry Bragg et William Lawrence Bragg pour les rayons X. Cette expérience, comme celle d’Arthur Compton prouvant la nature particulaire de la lumière, appuya l’hypothèse de De Broglie sur la nature ondulatoire de la matière, et compléta l’hypothèse de dualité onde-particule, qui fut une étape fondamentale dans la construction de la théorie quantique.

Expérience de Stern et Gerlach  : 

L’expérience de Stern et Gerlach est une expérience de mécanique quantique, mettant en évidence l’existence duspin. L’expérience a été mise au point par Otto Stern et Walther Gerlach en février 1922.

Elle consiste à faire passer des atomes d’argent dans un champ magnétique non uniforme de direction verticale. Les atomes d’argent dans leur état fondamental ayant un moment cinétique nul, leur moment magnétique orbital associé est nul également. Ainsi, le faisceau ne devrait classiquement pas subir l’influence du champ magnétique.

Cependant, l’expérience montre que le faisceau se sépare en deux. On ne peut donc pas attribuer ce résultat à un moment cinétique orbital. On explique ce phénomène en introduisant un observable de nature essentiellement quantique : le moment cinétique de spin, ou plus simplement spin. Le spin est comparable à un moment cinétique intrinsèque, mais l’analogie classique est très limitée : il n’y a pas de sens à parler d’un électron « tournant autour de son axe ».

Chat de Schrödinger : 

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée imaginée en 1935 par le physicienErwin Schrödinger, afin de mettre en évidence des lacunes supposées de l’interprétation de Copenhague de la physique quantique, et particulièrement mettre en évidence leproblème de la mesure.

La mécanique quantique est relativement difficile à concevoir car sa description du monde repose sur des amplitudes de probabilité (fonctions d’onde). Ces fonctions d’ondes peuvent se trouver en combinaison linéaire, donnant lieu à des « états superposés ». Cependant, lors d’une opération dite de « mesure » l’objet quantique sera trouvé dans un état déterminé ; la fonction d’onde donne les probabilités de trouver l’objet dans tel ou tel état.

Gomme quantique : En physique quantique, une gomme quantique désigne un dispositif permettant de rétablir un état de superposition quantique alors que celui-ci a été altéré ou supprimé.

Une gomme quantique influence un état quantique de manière non-locale, c’est-à-dire à une distance arbitraire. On peut interpréter cela comme une influence instantanée, voire en provenance du futur (mais d’autres interprétations sont possibles). Quoi qu’il en soit, l’influence se fait toujours de manière absolument indétectable sans apport d’une information non quantique (typiquement des corrélations) en provenance du dispositif lointain. Cette influence se fait donc sans violation de la causalité, ni dépassement de la vitesse de la lumière et respecte ainsi les lois de la relativité restreinte et générale.

Le principe de la gomme quantique est utilisé pour améliorer la résolution de certains microscopes électroniques3.

Expérience de la gomme quantique à choix retardé : 

L’expérience de la gomme quantique à choix retardé1 est une expérience de mécanique quantique qui constitue une extension de celle d’Alain Aspect et des fentes de Young en y introduisant ce qui semble être une rétroaction implicite dans le temps. Proposée en 1982 par Marlan Scully2 et Kai Drühl, une version de cette expérience a été réalisée en 1998 par l’équipe de Yanhua Shih (University of Maryland, États-Unis).

Schématiquement, deux dispositifs similaires aux fentes de Young sont installés en cascade.

On sait que l’incertitude quantique concernant le passage de particules par l’une ou l’autre fente :

  • n’est levable que par un processus de détection, et
  • subsiste en l’absence de celle-ci, non seulement en tant que connaissance de l’expérimentateur, mais bien en tant qu’état du système.

L’idée de Marlan Scully est de ne décider l’intervention de cet observateur qu’au dernier moment, alors que la particule3 a déjà franchi la première série de fentes.

Les équations de la mécanique quantique imposent à la particule d’avoir vérifié lors du premier passage des conditions qui ne sont pourtant stipulées quepostérieurement, par intervention ultérieure du détecteur ou non. En d’autres termes, cette intervention du détecteur semble modifier le passé de la particule.

L’observation confirme pour le moment ce résultat prévu, mais Marlan Scully ne se prononce pas encore sur les enseignements que l’on peut ou non en tirer.John Wheeler s’est montré parfois moins réservé et a tenu à ce sujet des propos controversés sur la modification du passé par des processus d’observation (à moins, selon une autre interprétation du même phénomène, qu’il ne s’agisse d’une définition du présent par le résultat de l’observation de phénomènes passés — voir l’interprétation d’Everett).

Paradoxe EPR : 

Le paradoxe EPR, abréviation de Einstein-Podolsky-Rosen, est une expérience de pensée, élaborée par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen, dont le but premier était de réfuter l’interprétation de Copenhague de la physique quantique.

L’interprétation de Copenhague s’oppose à l’existence d’un quelconque état d’un système quantique avant toute mesure. En effet, il n’existe pas de preuve que cet état existe avant son observation et le supposer amène à certaines contradictions.

Or, si deux particules sont émises et qu’une relation de conservation existe entre une de leurs propriétés (par exemple, la somme de leurs spins doit être nulle, c’est-à-dire qu’il y a intrication quantique de l’état du système de ces deux particules), la connaissance de l’état de la première après une mesure effectuée sur celle-ci nous informe de l’état dans lequel se trouve la seconde particule avant une mesure effectuée sur celle-là plus tard, alors que – selon l’interprétation de Copenhague – la valeur mesurée est déterminée aléatoirement au moment de la mesure. Si la mesure sur la première particule a donné « + », et que la première particule se trouve donc dorénavant dans l’état « + », la mesure sur la seconde donnera toujours « – ».

Un des problèmes est que cette dernière particule peut, à l’instant de la mesure, se trouver à une distance aussi grande qu’on le veut dans l’univers observable de la première. La ligne d’univers qui relie les deux événements « mesure sur la particule 1 » et « mesure sur la particule 2 » de l’espace-tempspeut même être une courbe de genre espace, et la seconde particule ne peut donc absolument pas, dans ce dernier cas, « être informée » de quelque façon que ce soit de l’état dans lequel se trouvait la première après la mesure. Comment croire, dans ces conditions, que l’état dans lequel est trouvé la seconde particule après la mesure n’était pas déterminé dès le départ, en contradiction avec la représentation de Copenhague ?

Téléportation quantique : La téléportation quantique est un protocole de communications quantiques consistant à transférer l’état quantique d’un système vers un autre système similaire et séparé spatialement du premier en mettant à profit l’intrication quantique. Contrairement à ce que le nom laisse entendre, il ne s’agit donc pas de transfert de matière ni d’énergie. Le terme de téléportation quantique est utilisé pour souligner le fait que le processus est destructif : à l’issue de la téléportation, le premier système ne sera plus dans le même état qu’initialement.

Expérience d’Aspect : 

En mécanique quantique, l’expérience d’Aspect est, historiquement, la première expérience qui a réfuté de manière satisfaisante les inégalités de Bell, validant ainsi le phénomène d’intrication quantique, et apportant une réponse expérimentale au paradoxe EPR proposé une cinquantaine d’années plus tôt par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen.

Cette expérience a été réalisée par le physicien français Alain Aspect à l’Institut d’optique à Orsay entre 1980 et 1982. Son importance a été immédiatement reconnue par la communauté scientifique, valant même à cette expérience la couverture du magazine de vulgarisation Scientific American.

Expérience d’Afshar : 

L’expérience d’Afshar est une expérience de mécanique quantique visant à montrer qu’on peut outrepasser le principe de complémentarité de Niels Bohr, en permettant d’observer, simultanément, l’aspect corpusculaire et ondulatoire de la lumière.

Cette expérience, a été mise au point par le physicien américano-iranien Shahriar Afshar. Initialement créée en 2001, a été remaniée à plusieurs reprises dans le but d’apporter une démonstration aussi irréprochable que possible. Malgré tout, elle fait actuellement (2007) l’objet de nombreuses polémiques quant à son interprétation. De nombreuses critiques, ainsi que des interprétations alternatives du phénomène sont régulièrement présentées sur les sites web, dans les colloques de physique, dans les conférences académiques et dans les archives scientifiques arXiv.