Isaac Ben Jacob

Facebook circle white small Mail white small Twitter circle white small

Double Slit Experiment, et la théorie de la position unique des particules

La présente étude est consacrée à l’expérience dite du ‘Double Slit’ de Feynman (également mentionnée comme étant de ‘Young’). L’objectif de cet article étant d’être accessible et d’émettre des hypothèses d’ordre général, il sera le plus bref possible. Divisée en séquences,  l’expérience de Feynman est réalisée avec un faisceau d’électrons ou de photons, projeté à travers une plaque. Cette plaque est percée de deux fentes, que l’on peut obturer au choix. Derrière la plaque et les deux ouvertures, on place un mur qui enregistre les impacts des électrons lorsque ceux-ci collisionnent sa surface. L’expérience se divise en trois séquences, selon qu’on ouvre ou ferme l’une des deux ouvertures dans la plaque, et en fonction du fait qu’on observe ou non la trajectoire du faisceau d’électrons à travers la plaque.

 

Afin d’illustrer nos propos, nous avons jugé nécessaire d’adjoindre à cet article une vidéo commentée par le professeur Al-Khalili, dont les explications nous semblent très pertinentes.

Einstein Niels Bohr, 1950

Albert Einstein

Niels Bohr

L’onde Pilote de Broglie-Bohm

 

L’autre interprétation relative au Double Slit est celle dite de Broglie-Bohm. Minoritaire, elle n’en est pas moins intéressante, et témoigne de l’insatisfaction persistante de nombreux scientifiques face à l’hypothèse de l’école de Copenhague.

 

L’interprétation de Broglie-Bohm repose sur la théorie de l’onde Pilote. La particule et l’onde, comprise (d’après Max Born) comme « la densité de probabilité de trouver une particule », sont des éléments totalement distincts. Ce concept implique l’existence d’ondes vides, encore nommées « ondes fantômes », qui peuvent se propager dans l’espace en ne véhiculant aucune particule. L’onde et la particule sont donc ici totalement autonomes. Ce qui entre en contradiction avec la mécanique quantique habituelle, qui énonce que les particules sont dotées d’une fonction d’onde.

 

Au regard du Double Slit Experiment, David Bohm, dès 1952, sur la base de la théorie de l’onde pilote de Broglie, mit au point un nouveau concept. Il supposa ainsi que la particule étudiée dans la séquence n°2 était accompagnée d’une onde-pilote. L’onde se serait propagée au travers des fentes de la plaque, simultanément, mais chaque particule émise aurait au contraire conservé une trajectoire, sa trajectoire naturelle, et aurait traversé la plaque par une seule des deux fentes. La figure d’interférences enregistrée sur le mur (une fois les particules ayant passé la plaque), serait produite par l’onde qui véhiculerait les particules, en fonction de ses propres interférences, constructives et destructives.

 

Enfin, en séquence N°3, lors de la détection de la particule, l’expérience serait affectée par l’observation. L’onde passant uniformément par les deux fentes, serait alors séparée en deux vagues d’ondes, détruisant ainsi la figure d’interférence précédemment visible sur le mur d’enregistrement.

 

 

 

Essai d’interprétation de l’expérience, par Isaac Ben Jacob

 

Notre interprétation ne penche ni en faveur de l’école de Copenhague, ni en faveur de la théorie de Broglie-Bohm. Chacune de ces deux interprétations nous semble contenir des éléments de bon sens, qui contribuent à améliorer la compréhension du phénomène. Prises indépendamment, les deux interprétations sont fondamentalement contradictoires, mais en les combinant seulement sur certains points, on peut les considérer comme synergiques.

L’itinéraire A+A- entre en conflit avec l’itinéraire B-B+, et ils interfèrent par superposition, tout en s’annulant. Il ne faut donc pas comprendre l’expérience de l’émission des photons comme ayant 50% de chances d’emprunter l’itinéraire A+A- ou B-B+. Il ne faut pas non plus y voir une division du photon en deux, empruntant les deux itinéraires simultanément, car cela signifierait qu’une même particule peut avoir deux positions distinctes dans l’espace. D’ailleurs, le seul fait que seul le détecteur 1 soit en mesure de recevoir dans 100% des occurrences le photon, signifie que les itinéraires A+A- et B-B+ se sont annulés et ont replacé, par suppression de l’interférence juste après le miroir demi-teinte final, le photon dans sa trajectoire initiale.

 

Lorsque le photon est en face d’un choix, il ne procède pas à la détermination de ce choix, il ne s’investit pas dans cette possibilité, car cela signifierait pour lui qu’il est à même d’occuper deux positions simultanées dans l’espace. Le choix qui se propose à lui n’est en réalité pas un choix, ce sont deux hypothèses, où l’itinéraire A+A- et B-B+ sont deux trajectoires de deux photons différents, on pourrait même dire de trois photons différents : celui précédant cette séquence, celui de la séquence, et enfin celui du moment d’après. Il ne s’agit pas ici d’une probabilité de 50% sur 50% pour le photon de passer par un itinéraire plutôt qu’un autre, mais d’une probabilité de 100% d’interférer et d’entrer en conflit avec l’itinéraire d’un autre photon. En soi, les itinéraires A+A- et B-B+ sont des positions distinctes dans l’espace et le temps, qu’occupent des photons différents. Ce qui crée l’interférence.

 

Entre les points A+ et A- et B- et B+, le photon ne disparaît pas complètement, une fraction de sa définition prend un itinéraire, l’autre itinéraire étant occupé par une fraction de la définition d’un autre photon. Le reste de la définition des deux photons en question, étant elle-même en interférence avec les autres photons déjà passés par l’expérience ou allant passer par l’expérience.

 

Il y a donc, lors du conflit produit par le choix imposé au photon, une dématérialisation partielle du photon, qui se produit juste au contact avec le premier miroir en demi-teinte. Au dernier miroir en demi-teinte, l’interférence cesse, et repositionne le photon dans sa trajectoire d’origine. Ce qui explique que seul le récepteur 1 puisse le recevoir.

En résumé, nous distinguons trois séquences, qui se décomposent de la façon suivante :

 

Séquence 1 :

 

Des électrons sont mitraillés à travers une plaque dans laquelle deux fentes sont pratiquées. L’une d’elle est obturée. On observe alors, sur le mur situé derrière la plaque, que les électrons ayant traversé celle-ci se sont écrasés sur une région unique, en forme de bande. On en conclut que les électrons se sont comportés comme un faisceau de particules. Traversant la plaque par la seule fente ouverte, ils se sont directement projetés sur le mur, en respectant une trajectoire linéaire.

 

Séquence 2 : (aberrante dans ses résultats)

 

Les électrons sont toujours mitraillés à travers la plaque percée de deux fentes. Mais contrairement à la séquence 1, celles-ci sont toutes deux ouvertes. On observe alors sur le mur de réception une ‘figure d'interférences’. Il s’agit d’une figure composée de bandes où se concentrent les impacts d'électrons, alternées d’espaces vides. Cette ‘figure d’interférences’ est caractéristique de la propagation d’une onde et non du comportement de particules, ce qui est surprenant.

Il faut également souligner que le même résultat est obtenu en projetant les électrons un par un, à intervalles de temps régulier. Nous en déduisons logiquement que les électrons s’écrasant un à un sur le mur, même projetés individuellement, contribuent au comportement ondulatoire de l’ensemble de toutes les particules.

 

Séquence 3 : (aberrante dans ses résultats)

 

Ne sachant pourquoi un faisceau de particules adoptait ce comportement ondulatoire, les scientifiques ont décidé d’observer chaque particule individuellement. Aussi ont-ils ajouté un détecteur installé juste derrière les deux fentes de la plaque. Le but de ce dispositif étant de détecter la trajectoire de chaque particule lors de la traversée des fentes. De façon encore plus surprenante, deux régions d’impacts réapparaissent sur le mur de réception. La ‘figure d’interférences’ a disparu.

Conclusion : Lorsque la trajectoire individuelle des particules fait l’objet d’une observation, les électrons se comportent non plus comme une onde, mais comme des particules.

Dans la seconde expérience, lorsqu’un obstacle est placé sur l’itinéraire B-B+, le photon est en mesure, non pas de « sentir » qu’un obstacle est placé sur cet itinéraire, mais plutôt, de ne pas réagir. En effet, dès le premier miroir demi-teinte, il n’entre pas en conflit avec un autre photon ayant position différente dans l’espace et le temps. La modification dans la configuration intervient donc dès le départ dans l’expérience, et non pas au moment théorique où le photon serait en mesure de sentir à distance l’obstacle.

 

Comment des photons peuvent-ils interférer entre eux dans leurs positions, et donc dans l’espace ?

 

 

Lorsque le photon est placé en face d’un choix de trajectoire, certains scientifiques supposent que le photon se dédouble, interfère avec lui-même, et emprunte les deux itinéraires en même temps. Ils attribuent donc au photon deux positions simultanées dans l’espace. Il y a là un illogisme dérangeant.

Il est plus raisonnable de considérer que le photon est placé devant deux alternatives, celles d’occuper deux positions différentes dans l’espace et le temps. Chaque position correspondant, ce qui est d’importance, à un photon et un seul. La position dans l’espace et dans le temps d’un photon est donc déterministe de la définition de celui-ci. Face à ces alternatives, et ne pouvant être à deux endroits à la fois, le photon entre en collision et interfère, non pas avec lui-même, mais avec d’autres photons ayant vocation à occuper des positions dans l’espace et le temps différentes de la sienne. L’interférence n’est donc pas celle du photon avec lui-même, mais du photon avec les positions d’autres photons. L’alternative, le choix entre deux itinéraires est donc pour le photon un conflit, et entraîne pour lui une perte de définition, consécutive à la superposition des positions dans l’espace et le temps de plusieurs photons.

 

Revenons maintenant au Double Slit Experiment :

 

Le photon α de la séquence N°2 ne se duplique pas dans les faits. Contrairement à l’opinion commune, il ne passe pas simultanément par les deux ouvertures de la plaque. A l’opposé, il se combine conflictuellement avec les photons participant de la même expérience, et perd en définition. Une fraction de sa définition se répartit dans la fente A (par exemple), qui est concrètement la trajectoire naturelle de son passage. La fente A est ici l’ouverture de la plaque qui se serait imposée comme trajectoire naturelle dans les séquences N°1 et N°3. Une autre fraction de sa définition traversera une nouvelle fois la fente A, mais lors de la projection du prochain photon de l’expérience. Une chose similaire se serait d’ailleurs produite avec le photon α, lors de la projection du photon β précédent, c'est-à-dire assez paradoxalement, avant même que le photon α n’ait été émis. Il faut donc comprendre ici, que la superposition et confusion de photons entraîne également superposition et confusion d’une fraction de leur définition dans le temps et l’espace.

Les écoles s’affrontent, mais l’expérience reste encore inexpliquée

 

 

L’école de Copenhague

 

L’interprétation majoritaire est indubitablement celle de l’école de Copenhague, issue des travaux de Niels Bohr et Werner Heisenberg. Cette interprétation, mise au point vers 1927, n’était pourtant pas appréciée d’Albert Einstein, qui la trouvait incomplète et insatisfaisante.

 

L’école de Copenhague considère qu’il est inutile de chercher à déterminer la position exacte de la particule dans la séquence N°2. Les particules, dans cette séquence, étudiées par leur fonction d’onde, n’auraient pas de localité dans l’espace. Chaque particule participant à cette séquence (N°2) interfèrerait donc avec elle-même, et passerait simultanément par les deux fentes de la plaque.

 

Toute tentative de mesure, ou de détection de la particule (séquence N°3), mettrait en évidence une des positions comprises dans l’onde. Ici, nous parlons de l’onde produite par les particules lorsqu’elles sont projetées à travers la plaque. Autrement dit, d’après l’école de Copenhague, lorsque la séquence N°2 ne fait pas l’objet d’une observation, tout questionnement relatif à la position de la particule est inefficace et inutile. Cette interprétation énonce ainsi que « La réalité se trouve dans les observations, pas dans la particule ».

 

En conclusion, d’après Niels Bohr, la réalité consiste en ce qui est détecté. La fonction d’onde des particules étudiées dans la séquence N°2 n’a pas de valeur en elle-même, elle est non seulement théorique, mais ne correspond à aucune réalité intelligible et scientifique. Aussi, la séquence N°2 ne consiste pas en un sujet d’étude recevable. Seule la séquence N°3 correspond à une réalité scientifique.

 

 

Critiques d’Albert Einstein relatives à l’interprétation dite « de Copenhague »

Au regard de cette opinion dont la paternité revenait en partie à Niels Bohr, Einstein s’était exclamé : « Pensez-vous vraiment que la lune n’est pas là si vous ne la regardez pas ? » Einstein était profondément dérangé par l’interprétation de Copenhague, car il considérait qu’elle était incomplète, et que la particule étudiée dans la séquence N°2 devait avoir une définition quelconque, quand bien même celle-ci n’aurait pas fait l’objet d’une observation. Il exprima une telle opinion en 1935 dans un article (co-écrit avec deux de ses étudiants, Podolsky et Rosen).qui fit date et intitulé : « Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? » [« Peut-on considérer la description quantique de la réalité physique comme étant complète ? »] D’une façon générale, Einstein ne pouvait concevoir, ainsi qu’il aimait à le dire « que la providence joue au jeu de dés avec les lois de la physique ». Ce qui revenait à dire que l’opinion de Bohr et de l’école de Copenhague recevaient comme acceptable que l’état de la particule dans la séquence N°2 soit indéterminé en termes scientifiques. Pour Einstein, il y avait là un illogisme, qui ne pouvait pas  rendre compte de la réalité physique.

Introduction :

 

L’ambivalence onde-particule est un principe de physique, selon lequel toutes les particules présentent plus ou moins des propriétés d'ondes et de particules. C'est l'une des bases de la mécanique quantique moderne.

 

Cette ambivalence des objets quantiques est une solution médiane, conciliant les théories de Christiaan Huygens et d’Isaac Newton, qui, respectivement, considéraient que la lumière était pour le premier une onde, et pour le second, une vague de particules.

 

Mais il existe des différences essentielles entre ondes et particules, qui incitent à penser que la particule est l’état défini, alors que l’onde est l’état altéré d’une particule, superposée et confondue à d’autres particules.

 

 

D’une façon générale, nous pouvons dire que :

 

A/ Les particules ont une position localisée dans l’espace et le temps, une trajectoire continue, et sont dénombrables.

 

B/ Les ondes ont de façon générale, une position moins localisée dans l’espace et le temps, une trajectoire multidirectionnelle, simultanée, semblable à une vague, et sont non dénombrables en objets quantiques distincts.

 

 

« L’interféromètre de Mach-Zehnder »

C’est sur cette base que nous allons en premier lieu étudier l’expérience de « l’interféromètre de Mach-Zehnder ». Viendra ensuite seulement, notre étude relative au Double Slit Experiment. L’interféromètre de Mach-Zehnder était en effet considéré par Albert Einstein, qui y faisait régulièrement référence, comme une forme plus intelligible et plus explicite du Double Slit Experiment.

 

Un miroir semi-réfléchissant est placé sur la trajectoire d’un photon, laissant par là même deux possibilités pour la trajectoire du photon. Néanmoins le photon, dont la trajectoire pourrait être aléatoire, choisissant l’un ou l’autre des itinéraires proposés, sera toujours détecté sur un, et un seul des deux récepteurs photographiques situés à la fin du parcours. La trajectoire redeviendra celle d’une véritable particule seulement lorsqu’un obstacle sera déposé sur l’un des deux itinéraires.

 

Etude de l’expérience :

 

L’interféromètre de Mach-Zehnder est composé de « deux miroirs en pleine teinte et de deux miroirs semi-réfléchissants. »

 

Les itinéraires sont classés ainsi :

 

1/ Miroir demi-teinte, miroir pleine teinte, miroir demi-teinte, noté « A+A- ».

 

2/ Miroir demi-teinte, miroir pleine teinte, miroir demi-teinte, noté « B-B+ ».

 

Des photons sont émis par une Source notée ‘V’. Inexplicablement, seul le détecteur 1 enregistre la sortie du photon de ce dispositif. Pourtant, la logique aurait voulu que les détecteurs 1 et 2 aient eu chacun d’eux une probabilité égale de détecter le photon lors de sa sortie du dispositif.

En résumé, la fraction du photon qui passe par la fente B provient donc d’un autre photon participant à l’expérience, mais non de celui (α) qui fut émis à l’instant T, et dont l’opinion commune supposait qu’il s’était dupliqué entre les deux ouvertures (fentes A et B) de la plaque. Aussi, le photon émis dans la séquence N°2 ne se dédouble pas, il n’emprunte pas non plus réellement les deux ouvertures simultanément. Devant le choix qui s’impose au photon α, d’emprunter l’itinéraire A ou B, le photon ne procède pas à ce choix, il se collisionne avec les autres photons, et perd en définition. La définition du photon α se répartit donc entre l’ouverture A de la plaque (itinéraire par défaut de ce photon), et les autres photons (γ et β) émis avant et après son passage.

 

Les positions des photons γ, α et β sont donc confondues partiellement dans l’espace et le temps, ce qui est un effet causal de la perte de définition. Cette superposition entraînant confusion, explique l’apparition de la figure d’interférence, qui est composée d’une vague de photons coordonnés à la façon d’une onde. Les positions respectives des photons sont alors déterminées en fonction d’une figure générale. Celle-ci implique que chaque photon ait interagi avec l’ensemble de tous les autres photons, dans une figure globale égalitaire. L’interférence destructrice des photons entre eux, neutralise leur comportement particulaire. Le comportement ondulatoire des photons se substitue dès lors au comportement particulaire, car conforme au comportement moins individuel, moins identitaire, mais plus diffus et égalitariste des photons superposés.

 

 

Lors de la séquence N°3, la figure d’interférence disparaît du fait de l’observation du phénomène. L’observateur, lors de la détection du photon, individualise celui-ci, et lui redonne un comportement particulaire. Il supprime par la détection le choix qui s’imposait pour le photon d’emprunter l’itinéraire A ou B. Cela revient à dire qu’observer une particule, augmente sa définition et l’individualise par rapport aux autres photons, par détection de sa position dans l’espace et le temps. On pourrait ajouter que différencier une particule des autres, est une façon de la re-matérialiser, et de dés-interférer celle-ci des conflits de positions qui perturbent sa définition. L’observateur et la particule sont donc liés par intrication quantique. L’observateur interagit avec la particule, en tant qu’agent extérieur dont la propre définition favorise la définition de la particule. Sur ce point, nous pouvons supposer qu’autant les photons peuvent interagir entre eux par interférence destructive lorsque deux trajectoires contradictoires se proposent à eux (les trajectoires traversant les ouvertures A et B), autant l’observateur peut agir sur le photon par dés-interférence constructive.

 

 

Conclusion élargie à la philosophie :

L’observation ou la conscience (comprise comme un ensemble d’idées structurées et cohérentes), lorsqu’elles sont l’anticipation d’une réalité non encore matérialisée, peuvent modifier l’environnement, et entraîner par effet gravitationnel, la matérialisation de cette réalité.

Quantum-Double-Slit-1-Isaac-Ben-Jacob Quantum-Double-slit-french-2-visual-2 Home Button IBJ