Duel de lumière

Pendant très longtemps, l'Homme s'est demandé de quoi était constituée la lumière, ce qu'elle était vraiment. Parce que, bon, bronzer à Corfou, c'est sympa mais savoir ce qui en est responsable, ça peut être intéressant aussi.

Globalement, il y a 2 considérations concernant la lumière : la lumière est une onde ou la lumière est un flot de particules, appelées photons.
Dès le 17e siècle avec Huygens puis ensuite avec Young au 19e, la théorie qui prend largement le dessus auprès des scientifiques est que la lumière est une onde, un peu comme le son et qu'elle se propage dans le vide comme les vagues formées par le jet d'un caillou dans l'eau.
Enfin pas exactement dans le vide parce qu'une onde a besoin d'un milieu pour se propager (en gros, comme une holà dans un stade de foot avec nous comme support de l'onde, sauf que le "nous" ce seraient les molécules et que dans le vide, y'a pas de molécules. Et tout le monde sait ce que donne une holà dans un stade vide...), donc les scientifiques de l'époque inventent carrément "l'éther", milieu existant dans l'espace et qui permet la propagation de la lumière du soleil.

Bon, ok super. Pourquoi pas.

En parallèle de ça, Young va réaliser une expérience en 1801 extraordinairement interessante qui achèvera de convaincre les sceptiques de la nature ondulatoire de la lumière.

Le jeune (young, ohoh) éclaire 2 fentes avec une lumière et observe sur un panneau disposé plus loin...une alternance de franges lumineuses et de franges sombres. Etonnant, non ?

Alors pour beaucoup d'entre vous, ceci relève de la surprise et de l'incompréhension la plus totale (je m'adresse à ceux qui n'ont pas eu la chance de faire des études scientifiques au delà de la terminale). Mais pour les autres, ça leur rappellera les TP de physique en prépa :-).

En fait, c'est très simple et Young l'aura compris en voyant 2 canards batifoler dans l'eau de son lac.

On imagine une onde sur l'eau émise par le canard 1, que nous appellerons Roger, rencontrant une onde émise par le canard 2 (que nous appellerons Bernard).



Une onde est constituée d'une succession périodique de creux et de bosses.
Et bien Young constate que là où 2 bosses issues chacune des 2 ondes de Bernard et Roger se rencontrent, elles forment une bosse 2 fois plus grande, que là où 2 creux se rencontrent, elles forment un creux 2 fois plus grand et quand un creux rencontre une bosse, le niveau de l'eau reste plat.
Autrement dit les amplitudes s'additionnent et c'est exactement pareil pour la lumière dans son expérience, les 2 fentes jouant le rôle en fait de 2 sources qui vont faire interagir leurs ondes entre elles.
A chaque fois que l'interaction des deux ondes formeront une bosse (ou un creux d'ailleurs, c'est pareil) d'intensité, on observera une frange brillante et à chaque fois qu'elles s'annulent (creux+ bosse), on observera une frange sombre.

Mortel, non ?

Tout ceci s'explique très bien par le calcul, donc tout le monde ressort convaincu, tout content que la lumière est une onde, certes constituées de particules mais qui se comportent comme une onde.

Sauf que, il reste encore des expériences que cette théorie n'arrive pas à expliquer, comme par exemple l'effet photoélectrique (en gros, quand on éclaire un truc avec de la lumière bleue, ça crée du courant électrique dans le truc alors que nada en lumière rouge).
Mais bon, pas de souci, on met ça de côté et on attend qu'un jour un type trouve l'explication.


Et puis est arrivée une époque où on est devenu technologiquement capable d'envoyer photon par photon de la lumière. On avait inventé un espèce de canon à photons programmable.
Du coup, des petits malins se sont dit "Tiens, si on refaisait l'expérience des fentes de Young, mais au lieu d'envoyer des milliards de photons d'un coup en jet de lumière, on va les envoyer un par un et on va noter leur impact sur le panneau".

On envoie donc les photons un par un, par exemple au rythme d'un par minute. Le photon (s'il ne s'écrase pas misérablement sur le 1er panneau) passe alors par une des 2 fentes et vient imprimer le panneau du fond. On recommence avec un autre photon, puis un autre, etc. Comme les photons passent de manière aléatoire par la fente 1 ou la fente 2, on s'attend à trouver un panneau moucheté uniformément de l'autre côté.
Sauf qu'on va observer ça :

Et oui, vous ne rêvez pas : pour quelque raison extraordinaire, on obtient ce réseau de franges, comme si les photons, envoyés indépendamment, avaient interagis avec eux même !
Ce phénomène défie le sens commun !

Et voilà le souci de l'infiniment petit, c'est qu'il ne s'explique plus avec la physique habituelle. On est obligé, pour décrire son fonctionnement, d'avoir recours à une autre physique : la physique quantique. Et là, ça devient complètement n'importe quoi. Oubliez vos préjugés, on part dans un autre monde. Et, perso, c'est ça qui me fascine dans ce domaine.

En fait pour expliquer le résultat de l'interaction en franges des envois de photons, les scientifiques ont 2 théories.
C'est simple. La première est dingue, la seconde est encore plus dingue.

Pour les partisans de la première, on ne sait que 2 choses sur le photon : il a quitté le filament de la lampe et il a impacté le mur du fond. Mais on ne sait pas par quelle fente il est passé. Du coup, pas de problème, ils adoptent le point de vue spécial ... qu'il est passé par les 2 fentes simultanément, ce qui lui permet d'interagir avec lui même. Ça parait cinglé, mais ça permet d'expliquer les résultats de l'expérience. Evidemment, à notre échelle, on ne peut pas intégrer cette explication (Vous référer au paradoxe du Chat de Schrödinger qui illustre bien cette incohérence transposée dans notre monde macro) mais je vous avais prévenu que pour faire de la physique quantique il fallait laisser au placard notre compréhension du monde.

L'autre théorie dit, quant à elle, que le photon peut passer dans la fente de gauche mais comme il peut aussi passer par la fente de droite, l'univers se divise alors en deux univers : l'un ou le photon passe à gauche, l'autre où le photon passe à droite et les 2 univers interagissent ensuite ensemble.
Ça rejoint l'histoire des univers parallèles dont je vous parlais dans un article précédent.
A chaque fois qu'un choix se produit, l'univers se scinde en une multitude d'univers, de telle sorte que chaque option se déroule dans un univers différent.


Bref, au final, la lumière se comporte parfois comme une onde, parfois comme une particule (depuis on a démontré l'effet photoélectrique qui ne peut s'expliquer que par la nature corpusculaire de la lumière. Pour info, le "on" s'appelle Einstein et il a eu le prix Nobel pour ce travail, qui n'a rien à voir avec son E=mc2...).

Bref on ne sait pas trop et c'est pour cette raison qu'on parle de la dualité onde-particule de la lumière.
Elle n'est pas une onde, elle n'est pas une particule mais elle est un peu les 2 à la fois.
C'est un peu comme un cylindre qu'on éclairerait. Selon un angle, il apparait comme un cercle, selon un autre c'est un rectangle et pourtant ce n'est aucun des deux.



Bref, on est pas encore prêt de proposer une explication claire et tranchée de ce qu'est la lumière.
Mais y'en a t'il seulement une ?...