Au coeur de la mécanique quantique

Richard Feynman, l'un des plus grands physiciens du XNUMXème siècle, a soutenu que la clé pour comprendre la mécanique quantique est "l'expérience de la double fente". Cette expérience conceptuellement simple, menée aujourd'hui, continue de donner des découvertes étonnantes. Ils montrent à quel point la mécanique quantique est incompatible avec le bon sens, qui a finalement conduit aux inventions les plus importantes des cinquante dernières années.

Pour la première fois, il a mené une expérience à double fente. Thomas Jeune (1) en Angleterre au début du XIXe siècle.

L'expérience de Young

L'expérience a permis de montrer que la lumière est de nature ondulatoire et non corpusculaire, comme indiqué précédemment. Isaac Newton. Young vient de démontrer que la lumière obéit intervention - un phénomène qui est le plus caractéristique (quel que soit le type d'onde et le milieu dans lequel elle se propage). Aujourd'hui, la mécanique quantique concilie ces deux visions logiquement contradictoires.

Rappelons l'essentiel de l'expérience de la double fente. Comme d'habitude, je veux dire une vague à la surface de l'eau qui se propage concentriquement autour de l'endroit où le caillou a été lancé. 

Une onde est formée par des crêtes et des creux successifs rayonnant à partir du point de perturbation, tout en maintenant une distance constante entre les crêtes, appelée longueur d'onde. Une barrière peut être placée sur le trajet de la vague, par exemple sous la forme d'une planche avec deux fentes étroites découpées à travers lesquelles l'eau peut s'écouler librement. En jetant un caillou dans l'eau, la vague s'arrête sur la cloison - mais pas tout à fait. Deux nouvelles ondes concentriques (2) se propagent maintenant de l'autre côté de la cloison à partir des deux fentes. Ils se superposent ou, comme on dit, interfèrent les uns avec les autres, créant un motif caractéristique à la surface. Aux endroits où la crête d'une vague rencontre la crête d'une autre, le renflement de l'eau s'intensifie, et là où le creux rencontre la vallée, la dépression s'approfondit.

2. Interférence d'ondes émergeant de deux fentes.

Dans l'expérience de Young, la lumière monochrome émise par une source ponctuelle passe à travers un diaphragme opaque avec deux fentes et frappe l'écran derrière elles (aujourd'hui, nous préférerions utiliser la lumière laser et un CCD). Une image d'interférence d'une onde lumineuse est observée sur l'écran sous la forme d'une série de bandes claires et sombres alternées (3). Ce résultat a renforcé la croyance que la lumière était une onde, avant que les découvertes du début des années XNUMX ne montrent que la lumière était aussi une onde. flux de photons sont des particules légères qui n'ont pas de masse au repos. Plus tard, il s'est avéré que le mystérieux dualité onde-particuledécouvert pour la lumière s'applique également à d'autres particules douées de masse. Il est rapidement devenu la base d'une nouvelle description mécanique quantique du monde.

3. Vision de l'expérience de Young

Les particules interfèrent également

En 1961, Klaus Jonsson de l'Université de Tübingen a démontré l'interférence de particules massives - des électrons à l'aide d'un microscope électronique. Dix ans plus tard, trois physiciens italiens de l'Université de Bologne ont réalisé une expérience similaire avec interférence d'électron unique (en utilisant un soi-disant biprisme au lieu d'une double fente). Ils ont réduit l'intensité du faisceau d'électrons à une valeur si faible que les électrons ont traversé le biprisme les uns après les autres, les uns après les autres. Ces électrons ont été enregistrés sur un écran fluorescent.

Initialement, les traînées d'électrons étaient réparties de manière aléatoire sur l'écran, mais au fil du temps, elles ont formé une image d'interférence distincte des franges d'interférence. Il semble impossible que deux électrons traversant successivement les fentes à des moments différents puissent interférer l'un avec l'autre. Par conséquent, nous devons reconnaître que un électron interfère avec lui-même! Mais alors l'électron devrait traverser les deux fentes en même temps.

Il peut être tentant de regarder le trou par lequel l'électron est réellement passé. Nous verrons plus tard comment faire une telle observation sans perturber le mouvement de l'électron. Il s'avère que si nous obtenons des informations sur ce que l'électron a reçu, alors l'interférence... disparaîtra ! L'information « comment » détruit les interférences. Cela signifie-t-il que la présence d'un observateur conscient influence le déroulement du processus physique ?

Avant de parler des résultats encore plus surprenants des expériences à double fente, je ferai une petite parenthèse sur la taille des objets interférents. L'interférence quantique des objets de masse a été découverte d'abord pour les électrons, puis pour les particules de masse croissante : neutrons, protons, atomes, et enfin pour les grosses molécules chimiques.

En 2011, le record de la taille d'un objet a été battu, sur lequel le phénomène d'interférence quantique a été démontré. L'expérience a été menée à l'Université de Vienne par un doctorant de l'époque. Sandra Eibenberger et ses associés. Une molécule organique complexe contenant environ 5 protons, 5 5 neutrons et XNUMX XNUMX électrons a été choisie pour l'expérience avec deux pauses ! Dans une expérience très complexe, l'interférence quantique de cette énorme molécule a été observée.

Cela a confirmé la conviction que Les lois de la mécanique quantique obéissent non seulement aux particules élémentaires, mais aussi à tout objet matériel. Seulement que plus l'objet est complexe, plus il interagit avec l'environnement, ce qui viole ses propriétés quantiques subtiles et détruit les effets d'interférence..

Intrication quantique et polarisation de la lumière

Les résultats les plus surprenants des expériences à double fente provenaient de l'utilisation d'une méthode spéciale de suivi du photon, qui ne perturbait en rien son mouvement. Cette méthode utilise l'un des phénomènes quantiques les plus étranges, le soi-disant intrication quantique. Ce phénomène a été remarqué dès les années 30 par l'un des principaux créateurs de la mécanique quantique, Erwin Schrödinger.

Le sceptique Einstein (voir aussi 🙂 les a appelés action fantomatique à distance. Cependant, seulement un demi-siècle plus tard, l'importance de cet effet a été réalisée, et aujourd'hui, il est devenu un sujet d'intérêt particulier pour les physiciens.

De quoi parle cet effet ? Si deux particules qui sont proches l'une de l'autre à un moment donné interagissent si fortement l'une avec l'autre qu'elles forment une sorte de "relation jumelle", alors la relation persiste même lorsque les particules sont à des centaines de kilomètres l'une de l'autre. Les particules se comportent alors comme un seul système. Cela signifie que lorsque nous effectuons une action sur une particule, cela affecte immédiatement une autre particule. Cependant, de cette manière, nous ne pouvons pas transmettre intemporellement des informations à distance.

Un photon est une particule sans masse - une partie élémentaire de la lumière, qui est une onde électromagnétique. Après avoir traversé une plaque du cristal correspondant (appelé polariseur), la lumière devient polarisée linéairement, c'est-à-dire le vecteur du champ électrique d'une onde électromagnétique oscille dans un certain plan. À son tour, en faisant passer la lumière polarisée linéairement à travers une plaque d'une certaine épaisseur à partir d'un autre cristal particulier (la plaque dite quart d'onde), elle peut être convertie en lumière polarisée circulairement, dans laquelle le vecteur de champ électrique se déplace en hélice ( dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) le long de la direction de propagation des ondes. Ainsi, on peut parler de photons polarisés linéairement ou circulairement.

Expériences avec des photons intriqués

4a. Un cristal BBO non linéaire convertit un photon émis par un laser à argon en deux photons intriqués avec la moitié de l'énergie et une polarisation mutuellement perpendiculaire. Ces photons diffusent dans des directions différentes et sont enregistrés par des détecteurs D1 et D2, reliés par un compteur de coïncidences LK. Un diaphragme à deux fentes est placé sur le trajet de l'un des photons. Lorsque les deux détecteurs enregistrent l'arrivée quasi simultanée des deux photons, le signal est stocké dans la mémoire du dispositif, et le détecteur D2 marche parallèlement aux fentes. Le nombre de photons dépendant de la position du détecteur D2, ainsi enregistré, est indiqué dans le cadre, montrant les maxima et les minima, indiquant les interférences.

En 2001, un groupe de physiciens brésiliens à Belo Horizonte s'est produit sous la direction de Stephen Walborn expérience inhabituelle. Ses auteurs ont utilisé les propriétés d'un cristal spécial (en abrégé BBO), qui convertit une certaine partie des photons émis par un laser à argon en deux photons avec la moitié de l'énergie. Ces deux photons sont intriqués l'un avec l'autre ; lorsque l'un d'eux a, par exemple, une polarisation horizontale, l'autre a une polarisation verticale. Ces photons se déplacent dans deux directions différentes et jouent des rôles différents dans l'expérience décrite.

L'un des photons que nous allons nommer contrôler, va directement au détecteur de photons D1 (4a). Le détecteur enregistre son arrivée en envoyant un signal électrique à un appareil appelé compteur d'accès. LK Une expérience d'interférence sera réalisée sur le second photon ; nous l'appellerons photon-signal. Il y a une double fente sur son chemin, suivie d'un deuxième détecteur de photons, D2, légèrement plus éloigné de la source de photons que le détecteur D1. Ce détecteur peut sauter par rapport à la double tranche chaque fois qu'il reçoit un signal approprié du compteur de coups. Lorsque le détecteur D1 enregistre un photon, il envoie un signal au compteur de coïncidences. Si dans un instant le détecteur D2 enregistre également un photon et envoie un signal au compteur, alors il reconnaîtra qu'il provient de photons intriqués, et ce fait sera stocké dans la mémoire de l'appareil. Cette procédure exclut l'enregistrement de photons aléatoires entrant dans le détecteur.

Les photons intriqués persistent pendant 400 secondes. Passé ce temps, le détecteur D2 se déplace de 1 mm par rapport à la position des fentes, et le comptage des photons intriqués prend encore 400 secondes. Ensuite, le détecteur est à nouveau déplacé de 1 mm et la procédure est répétée plusieurs fois. Il s'avère que la répartition du nombre de photons ainsi enregistrés en fonction de la position du détecteur D2 présente des maxima et minima caractéristiques correspondant aux franges claires et sombres et d'interférence dans l'expérience de Young (4a).

Nous découvrons à nouveau que les photons uniques traversant la double fente interfèrent les uns avec les autres.

Comment cela?

L'étape suivante de l'expérience consistait à déterminer le trou par lequel un photon particulier passait sans perturber son mouvement. Propriétés utilisées ici plaque quart d'onde. Une lame quart d'onde a été placée devant chaque fente, dont l'une a changé la polarisation linéaire du photon incident en circulaire dans le sens des aiguilles d'une montre, et l'autre en polarisation circulaire gauche (4b). Il a été vérifié que le type de polarisation des photons n'affectait pas le nombre de photons comptés. Or, en déterminant la rotation de la polarisation d'un photon après son passage à travers les fentes, il est possible d'indiquer par lesquelles d'entre elles le photon est passé. Savoir "dans quelle direction" détruit les interférences.

4b. En plaçant des plaques quart d'onde (rectangles ombrés) devant les fentes, des informations "dans quel sens" peuvent être obtenues et l'image d'interférence disparaîtra.

4c. Le fait de placer un polariseur P orienté de manière appropriée devant le détecteur D1 efface l'information "dans quel sens" et restaure l'interférence.

En fait, après placement correct des lames quart d'onde devant les fentes, la répartition des coups précédemment observée, révélatrice d'interférences, disparaît. Le plus étrange est que cela se passe sans la participation d'un observateur conscient qui puisse faire les mesures appropriées ! Le simple placement de lames quart d'onde produit un effet d'annulation des interférences.. Alors, comment le photon sait-il qu'après avoir inséré les plaques, nous pouvons déterminer l'espace par lequel il est passé ?

Cependant, ce n'est pas la fin de l'étrangeté. Nous pouvons maintenant restaurer l'interférence des photons du signal sans l'affecter directement. Pour cela, dans le trajet du photon de contrôle atteignant le détecteur D1, placez un polariseur de manière à ce qu'il transmette la lumière avec une polarisation qui est une combinaison des polarisations des deux photons intriqués (4c). Cela modifie immédiatement la polarité du photon signal en conséquence. Or il n'est plus possible de déterminer avec certitude quelle est la polarisation d'un photon incident sur les fentes, et par quelle fente le photon est passé. Dans ce cas, les interférences sont rétablies !

Effacer les informations de sélection différée

Les expériences décrites ci-dessus ont été réalisées de manière à ce que le photon témoin soit enregistré par le détecteur D1 avant que le photon signal n'atteigne le détecteur D2. L'effacement de l'information "quel chemin" a été effectué en changeant la polarisation du photon de contrôle avant que le photon signal n'atteigne le détecteur D2. On peut alors imaginer que le photon contrôlant a déjà dit à son « jumeau » ce qu'il doit faire ensuite : intervenir ou non.

Maintenant, nous modifions l'expérience de telle sorte que le photon de contrôle frappe le détecteur D1 après que le photon de signal soit enregistré sur le détecteur D2. Pour cela, éloignez le détecteur D1 de la source de photons. Le motif d'interférence est le même qu'avant. Plaçons maintenant des plaques quart d'onde devant les fentes pour déterminer le chemin parcouru par le photon. Le motif d'interférence disparaît. Ensuite, effaçons les informations "dans quel sens" en plaçant un polariseur orienté de manière appropriée devant le détecteur D1. Le motif d'interférence réapparaît ! Or l'effacement a été effectué après que le photon signal ait été enregistré par le détecteur D2. Comment est-ce possible? Le photon devait être conscient du changement de polarité avant que toute information à son sujet ne puisse l'atteindre.

5. Expériences avec un faisceau laser.

La séquence naturelle des événements est inversée ici; l'effet précède la cause ! Ce résultat sape le principe de causalité dans la réalité qui nous entoure. Ou peut-être que le temps n'a pas d'importance lorsqu'il s'agit de particules intriquées ? L'intrication quantique viole le principe de localité de la physique classique, selon lequel un objet ne peut être affecté que par son environnement immédiat.

Depuis l'expérience brésilienne, de nombreuses expériences similaires ont été menées, qui confirment pleinement les résultats présentés ici. Au final, le lecteur aimerait bien éclaircir le mystère de ces phénomènes inattendus. Malheureusement, cela ne peut pas être fait. La logique de la mécanique quantique est différente de la logique du monde que nous voyons tous les jours. Il faut humblement accepter cela et se réjouir du fait que les lois de la mécanique quantique décrivent avec précision les phénomènes se produisant dans le microcosme, qui sont utilement utilisés dans des dispositifs techniques toujours plus avancés.