Onde ou particule ? Une décision prise à la dernière nanoseconde

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Cet aspect des particules du monde microscopique d'apparence contradictoire et mis en évidence par la mecanique quantique est un des plus grands mystères de la physique, découvert depuis presque un siecle et jusqu'aujourdhui non encore élucidé, il s'agit de la dualité onde-corpuscule, une experience vient confirmer cet aspect étrange de la mécanique quantique où le choix de la particule de montrer un seul des 2 comportements, soit l'aspect ondulatoire (quand on ne l'observe pas) soit l'aspect corpusculaire (quand on entame une mesure) se fait au dernier moment .

Onde ou particule ? Une décision prise à la dernière nanoseconde

En physique quantique, le résultat observé est étroitement corrélé à la mesure effectuée. Ainsi, un photon se comporte soit comme une onde, soit comme un corpuscule, suivant le type d'expérience auquel on choisit de le soumettre (1). Mais, à quel moment exactement ce choix est-il effectué?

Cette question a été élucidée par une équipe du laboratoire de Photonique quantique et moléculaire (CNRS/Ecole Normale Supérieure de Cachan) conduite par Jean-François Roch et François Treussart, en collaboration avec Philippe Grangier et Alain Aspect du laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'optique (CNRS/Université Paris 11) (2). Les chercheurs ont mis en oeuvre, pour la première fois de façon très fidèle, une idée proposée dans les années 70 par John Wheeler, figure emblématique de la physique quantique.

Il s'agit en fait de retarder le plus possible le choix de l'expérience qui sera menée sur le photon en attendant que celui-ci soit au milieu de l'appareil de mesure, ici un interféromètre d'une longueur de 50 mètres. Une fois le photon “capturé” dans cet appareil, les chercheurs ont choisi, de manière aléatoire, la mesure qui a finalement été effectuée... mais le photon ne s'est pas laissé surprendre. Il s'est en effet manifesté comme une onde lorsqu'on a décidé d'observer un comportement ondulatoire et s'est comporté comme un corpuscule lorsqu'on a décidé d'observer un comportement corpusculaire.

Détaillée dans la revue Science du 16 février, cette expérience traduit un des éléments clefs de l'information quantique: le concept de “non-localité quantique”. Elle a des répercussions fondamentales afin d'établir théoriquement la sécurité des protocoles de cryptographie quantique.

Notes:
(1) Ce résultat a été mis en évidence en 1986 par Philippe Grangier et Alain Aspect lorsqu'ils ont réalisé la première expérience d'interférence à un photon.
(2) Ces travaux ont impliqué Vincent Jacques, E. Wu, Frédéric Grosshans, François Treussart et Jean-François Roch pour le laboratoire de Photonique quantique et moléculaire ainsi que Philippe Grangier et Alain Aspect pour le laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'optique.

Source: CNRS

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Des précisions sur "l'expérience de Wheeler"

Nous vous avons récemment parlé de l'expérience du laboratoire de Photonique quantique et moléculaire (CNRS/Ecole Normale Supérieure de Cachan) par laquelle les chercheurs tentaient de déterminer à quel moment un photon "décidait" de se comporter soit comme une onde, soit comme une particule (voir notre news: "onde ou particule ? Une décision prise à la dernière nanoseconde"). Nous revenons ici plus en détail sur l'historique, le principe et le mode opératoire de cette expérience.

Source à photon unique utilisée dans l'expérience de l'ENS

Les photons sont-ils capables de "savoir" qu'ils sont sur le point d'être observés ? John Wheeler avait proposé il y a presque 30 ans une façon de résoudre cette énigme bizarre en proposant une nouvelle mouture de l'expérience des fentes doubles. c'est cette expérience qu'ont réalisée les physiciens français.

La célèbre expérience des fentes doubles d'Young appliquée aux photons montre clairement l'influence de l'observateur en mécanique quantique. Dans cette expérience, des photons uniques sont envoyés sur un écran, partiellement obstrué en chemin par un mur contenant deux fentes. Si l'observateur ne vérifie pas par quelle fente le photon est passé, celui-ci semble interférer avec lui-même, suggérant qu'il se comporte comme une onde en passant par les deux fentes à la fois. Mais si l'expérimentateur surveille les fentes soigneusement (c.-à-d. les observe), l'interférence disparaît, et chaque photon traverse une des fentes à la façon d'une particule.

En 1978, John Wheeler faisait remarquer qu'un photon pourrait bien d'une façon ou d'une autre savoir à l'avance si une observation allait être faite ou non, et modifier son comportement en conséquence. Pour tester cette hypothèse il proposait une expérience de pensée dans laquelle la décision d'observer les photons était prise seulement après qu'ils aient été émis.

Jean-François Roch et ses collègues de l'École Normale Supérieure ont, pour la première fois, fidèlement réalisé cette expérience. L'équipe a substitué les deux fentes dans l'appareil de Young (l'expérience étant infaisable sinon) par deux chemins différents dans un interféromètre (voir la figure ci-dessous). Les chemins mènent directement à deux détecteurs différents, permettant d'observer clairement le chemin que chaque photon a emprunté. Cependant, les physiciens ont également conçu un système automatique qui insère aléatoirement un miroir semi-réfléchissant au dernier moment. Lorsque ce miroir est en place, il est impossible pour l'observateur de connaître le chemin pris par le photon.

En l'absence de miroir semi-réfléchissant, le photon emprunte soit un chemin soit l'autre, et se comporte comme une particule. Mais en sa présence, les détecteurs enregistrent l'interférence (comme si le photon se comportait comme une onde et parcourait les deux chemins simultanément). Cependant, à la différence de toutes les expériences à doubles fentes antérieures, le système ne prend la décision d'observer ou non le photon qu'une fois celui-ci déjà engagé sur un chemin, ou sur l'autre, ou sur les deux. Par conséquent si une quelconque "source imaginaire" informait secrètement le photon, elle devrait envoyer ce message informatif à une vitesse supérieure à celle de la lumière, chose que naturellement, la relativité interdit.

"En raison de cette contrainte, nous pouvons être sûrs que le photon ne 'connaît' pas, au moment où il y pénètre, ce qu'il y aura à l'autre extrémité de l'interféromètre ", indique Roch. "Cela souligne réellement la 'rivalité' qui existe entre la mécanique quantique et la relativité."

Choisir le bon chemin

Dans l'expérience de Roch, des impulsions de photons uniques sont émises une par une dans un interféromètre. Lorsqu'elles quittent le premier miroir semi-réfléchissant (BS1), elles ont le choix, avec une probabilité égale, entre deux chemins longs de 48 mètres, qui mènent par la suite jusqu'à deux détecteurs différents. Juste avant les détecteurs, un deuxième miroir semi-réfléchissant (BS2) est aléatoirement inséré ou enlevé par un système synchronisé avec l'émetteur. Quand ce miroir est en place, un photon peut atteindre l'un ou l'autre détecteur, ce qui interdit la détermination de son parcours. Quand ce miroir est absent, les détecteurs permettent de déterminer (d'observer) le chemin suivi par le photon.

Les scientifiques ont répété de nombreuses fois l'expérience jusqu'à ce qu'ils puissent confirmer avec certitude que les photons non observés se comportaient comme des ondes (c.-à-d. interféraient), et que les photons observés se comportaient comme des particules (c.-à-d. n'interféraient pas). Crucialement, ils ont éliminé la possibilité que les photons puissent être au courant de quelque manière que ce soit de la décision du système, car cette décision n'était prise qu'après que les photons soient entrés dans l'interféromètre.

Source: PhysicsWeb
Illustrations: CNRS / ENS. Vincent Jacques

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Si j’ai bien compris, le proton est détecté en particule si (BS2) est absent et se comporte en onde (interférence localisée à BS2) sinon. Ce qu’on apprend avec cette expérience c’est que la « décision » n’est pas prise dès l’émission. Et s’il s’gissait d’une superposition de deux états ?

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Jigsaw

Si j’ai bien compris, le photon est détecté en particule si (BS2) est absent et se comporte en onde (interférence localisée à BS2) sinon.

Exactement Jigsaw.

Ce qu’on apprend avec cette expérience c’est que la « décision » n’est pas prise dès l’émission

Tout à fait. Mais ce qui est intrigant c'est que pour qu'il y ai interférence le photon devrais prendre les 2 chemins en même temps dès le début, or celui ci ne se rend compte qu'il doit montrer un comportement ondulatoire que lorqu'il arrive à BS2 et trouve le mirroir sur son chemin, alors qu'il avait déja pris la décision à l'amont !!!!

Et s’il s’gissait d’une superposition de deux états ?

Là je te suit plus ! tu veut dire une superposition des deux aspects ondulatoire et corpusculaire ? Un peu à l'image de ce que De Broglie avait proposé (une particule qui surfe sur une onde). Mais ça ne résoud pas le problème, comment sait'il qu'il y aura un miroir sur sa route et décider d'être une onde ou une particule, si superposition il ya alors les détecteurs devraient détecter les 2 état en l'absence du miroir non ?

En tout cas c'est hautement intrigant tout ça :22:

[absent]

Le Paradoxe EPR et l'intrication quantique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Paradoxe_EPR
http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement

[Jigsaw]

si superposition il ya alors les détecteurs devraient détecter les 2 état en l'absence du miroir non ?

Oups! j'avais oublié les détecteurs.

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Apparament c'est comme si par notre choix on agit sur le passé du photon !!!!!!! lol

Tiens toi bien Jigsaw, voici un autre article bien plus intriguant

Choix retardé : quand la mécanique quantique "agit" sur le passé


Par Laurent Sacco, Futura-Sciences, le 27/02/2007 à 16h28


La magie de la mécanique quantique semble inépuisable si on la prend vraiment au sérieux. Une expérience récente, effectuée par Jean François Roch et ses collègues de l’ENS Cachan, a permis de réaliser, bien mieux qu’auparavant, l’expérience dite du choix retardé proposée il y a moins de 30 ans par le grand John Wheeler. Tout en vérifiant les prédictions de la mécanique quantique, elle montre que celle-ci est encore plus folle que ses créateurs avaient pu l’imaginer en 1927.

De gauche à droite Einstein, Yukawa et John Wheeler

De quoi s’agit-il ?

Pour le comprendre, il faut revenir à l’expérience de la double fente avec des électrons et qui sert d’introduction aux concepts quantiques dans tous les bons ouvrages comme ceux de Landau, Penrose et évidemment Feynman. On considère, pour cela, une fente double séparant une source d’électrons en haut et un écran en bas. Si les électrons étaient des ondes, et passaient donc simultanément par les deux fentes, on aurait sur l’écran une alternance de bandes claires et sombres, les fameuses franges d’interférence que l’on obtient aussi avec de la lumière dans le cas de l’expérience des trous d'Young. Cette situation est représenté sur le schéma ci-dessous.

Crédit : Doris Jeanne Wagner

Si les électrons étaient comme des balles tirées par une mitrailleuse et passant par une seule fente ouverte, on aurait une série d’impacts discrets distribués selon une courbe continue. L’ouverture d’une autre fente ne changeant que peu cette courbe mais donnant un résultat très différent du cas ondulatoire comme on le voit sur le schéma suivant.

Crédit : Doris Jeanne Wagner

En réalité, comme l’expérience le démontre dans des conditions appropriées et en reprenant les mots de Feynman, les électrons et les photons sont complètement cinglés. Si les deux fentes sont ouvertes, et que l’on s’assure que les électrons passent un par un au travers, on enregistre sur l’écran une série d’impacts discrets mais dont la distribution avec suffisamment d’électrons se fait selon les franges d’interférence d’une onde !

Crédit : Doris Jeanne Wagner

Enregistrement des impacts d'électrons créant au final une figure d'interférence

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suite ...

C’est la fameuse fonction d’onde psi de Schrödinger qui permet de décrire quantiquement un système physique et dont le carré donne la probabilité d’observer un état donné de ce système. La conclusion semble inévitable. Bien qu’indivisible, l’électron est passé par les deux fentes à la fois ! Maintenant, si l’on essaye de savoir par quelle fente l’électron est passé, en fermant l’une d’entre elles, par exemple, ou en essayant de détecter avec une faible lumière un électron sortant des fentes, ceci afin de le perturber le moins possible, les franges d’interférence disparaissent et on retrouve un comportement purement corpusculaire pour l’électron.


Le carré de la fonction d'onde psi donne la probabilité d'observer une particule en un point. A gauche on a déterminé par quelle fente est passée la particule, à droite non.
Crédits : http://nanotech.sc.mahidol.ac.th
Ceci est bien sûr une conséquence des inégalités de Heisenberg et du principe de Complémentarité de Bohr. Les électrons et autres « particules » quantiques ne sont en réalité ni des ondes ni des particules mais quelque chose d’autre dont les attributs classiques, trajectoire, vitesse, localisation, n’apparaissent qu’en fonction du dispositif expérimental donné. Pour être provocateur, la réalité n’existerait donc fondamentalement pas dans l’espace et le temps et les objets au sens classique n’existeraient pas sans un observateur (peut-être pas nécessairement humain) pour les observer ! C'est en tous cas une interprétation possible de la mécanique quantique.

Ce trop court aperçu des phénomènes quantiques suffit déjà pour se rendre compte à quel point la mécanique quantique choque l’intuition et soulève d’importantes questions presque métaphysiques. John Wheeler et d’autres, comme Bryce De Witt, W.H Zurek et John Bell, ont beaucoup réfléchi sur les paradoxes de la mécanique quantique. Il en est sorti le livre suivant, "J. Wheeler and W. Zurek, (eds.) Quantum Theory and Measurement, 1983", où l’on peut trouver la proposition de Wheeler d’une expérience avec double fente mais choix retardé. Tournons-nous donc maintenant vers celle-ci.

A la base, il s’agit de reprendre l’expérience de la double fente, dans les conditions les plus idéales possibles, et de ne considérer que le passage d’un électron ou d'un photon à travers cette double fente. On prendra le cas avec des photons. Au lieu de déterminer le passage d’un photon au moment où il traverse les fentes, on attend que l’onde lumineuse du photon ait largement dépassé celles-ci. Au dernier moment, l’observateur se donne le choix soit de laisser l’écran E pour obtenir des franges d’interférence, soit de le remplacer par une série de deux télescopes T1 et T2 focalisés sur chacune des fentes. Dans ce dernier cas, on peut montrer que cela revient à observer une trajectoire pour le photon.

Schéma de l'expérience de Wheeler. Au dernier moment on choisit soit un écran E soit deux télescopes T.
Crédits : http://www.npl.washington.edu

C’est là que l’expérience devient stupéfiante. Bien qu’ayant dépassé les deux fentes, c’est le choix de l’observateur qui va déterminer dans le passé par quelle fente le photon a voyagé, par une ou par les deux en même temps ! Si vous vous sentez pris de vertige, tant mieux ! C’est le critère que Niels Bohr avait adopté pour déterminer si quelqu’un avait vraiment pris conscience de ce qu’est la mécanique quantique.

Si vous pensez que c’est complètement absurde alors il va vous falloir rendre les armes. De telles expériences avaient déjà été faites par le passé mais elles souffraient toujours d’imperfections. Elles donnaient toujours raison à la mécanique quantique cependant. Or, dans le papier aujourd’hui publié par Jean François Roch et Alain Aspect (dont on se souvient qu’il avait été l’auteur d’une expérience retentissante sur l'effet EPR) ceux-ci et leurs collègues décrivent une variante de l’expérience de Wheeler avec cette fois-ci un interféromètre de Mach-Zender. Bien qu’apparemment différente, cette expérience conserve le principe de choix retardé de Wheeler, et surtout elle permet d’obtenir des mesures beaucoup plus proches d’une situation idéale.

Le résultat est tombé, la mécanique quantique fonctionne impeccablement et donne exactement ce que John Wheeler avait prédit !

Au vertige va peut-être maintenant succéder la folie, alors accrochez-vous !

Jusqu'à présent, les notions de temps et d’espace viennent de se briser avec cette expérience, à l’échelle humaine. C’est peut être encore acceptable. Passons maintenant avec John Wheeler à l’échelle des galaxies ! Plus précisément, observons avec deux télescopes un effet de lentille gravitationnelle où une galaxie à un milliard d’années-lumière dédouble l’image d’un quasar situé à deux milliards d’années-lumière. On est encore dans un cas avec deux trajectoires possibles pour les photons émis par le quasar. En répétant l’expérience de Wheeler c’est, cette fois-ci, au niveau des galaxies et à un milliard d’années dans le passé qu’un observateur humain va déterminer le chemin pris par un photon !

Plus fort encore, et toujours selon Wheeler. Si j’imagine qu’il y a une fonction d’onde de l’Univers, alors, peut être que ce qui a provoqué sa réduction, et la naissance de notre Univers classique à partir d’une « particule quantique » de la taille de la longueur de Planck il y a 13,7 milliards d’année, c’est justement le fait qu’il y aurait plus tard des systèmes classiques collecteurs d’informations, comme les êtres humains, et effectuant une observation sur celui-ci ! Après tout, EPR nous avait déjà habitué à une non-localité dans l’espace, dans un Univers avec espace-temps il est somme toute logique que la non-localité soit aussi dans le temps !

Cette théorie peut sembler complètement folle, mais elle l’est assez pour être exacte, et comme le fait remarquer Andrei Linde, qui peut savoir le rôle exact de la conscience dans la structure physique de l’Univers ?

[Jigsaw]

Plus fort encore, et toujours selon Wheeler. Si j’imagine qu’il y a une fonction d’onde de l’Univers, alors, peut être que ce qui a provoqué sa réduction, et la naissance de notre Univers classique à partir d’une « particule quantique » de la taille de la longueur de Planck il y a 13,7 milliards d’année

Une équation d'onde pour l'Univers ? Ca rejoint peut-être l'équation qu'Einstein a toujours voulu établir.
Je viens de comprendre que l'expansion de l'univers est passée à un instant t=epsilon d'une particule de comportement quantique à un système classique !!! On vit donc dans un chaton de Schrödinger bien gros .
La limite entre les deux visions est toujours un mystère à résoudre....

[absent]

Un extrait de what the bleep