Comment mieux comprendre les fentes de Young en interprétation quantique ?

[Alikendarfen]

Bonjour,

Je regardais récemment cette conférence d'Alain Aspect. A environ une heure, il y montre le résultat d'une expérience sur les fentes de Young (ici).

Bien avant l'expérience d'Aspect elle-même, ce qui est obtenu en utilisant les fentes de Young (photon par photon) me semble déjà très contre intuitif et j'aimerais mieux comprendre comment on peut l'interpréter. C'est l'objet de ma question.

Sur Wikipédia, ici, on trouve une interprétation quantique. Mais je n'arrive pas à la décrypter et notamment, quand il est écrit "On voit nettement que l'électron « interfère avec lui-même »" ça me semble être faux (si je peux me permettre) car on devrait plutôt dire "l'électron se positionne sur l'écran selon une distribution qui correspond à celle d'une onde" (mais, je ne sais pas).

Je comprends assez mal aussi ce qu'émet la source. En effet, si on dit que la source émet un photon (donc une particule), la source ne pourrait pas "viser" les deux fentes à la fois. Donc ne devrait-on pas plutôt dire "la source émet un 'machin' qui correspond à une particule une fois sur l'écran et dont la distribution correspond à celle d'une onde" ?

Au niveau énergétique, que se passe-t-il ? Si on accepte de dire que la source émet photon par photon, c'est donc l'énergie d'un photon qui est produite. Mais alors, comment l'énergie de l'onde se concentre-t-elle sur les fentes (et non pas sur toute la surface) pour recombiner un photon sur l'écran final ?

Question complémentaire: il semble que le dispositif des fentes ne fasse pas lui-même écran (un photon émis arrive sur l'écran qui est derrière ?). Comment est-ce possible ?

Bref... je pense que vous voyez l'idée générale de la question: est-il possible d'interpréter tout cela mieux qu'en disant "si on applique ce modèle et ces principes, ça calcule avec une très forte précision ce que fait la nature, mais ça n'explique rien" ?
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[jacknicklaus]

Je pense que, contrairement à ce que tu dis, tu as très bien saisi les principes; j'aime beaucoup ton expression

"la source émet un 'machin' qui correspond à une particule une fois sur l'écran et dont la distribution correspond à celle d'une onde"

Qui sonne très juste. Dirac lui même a proposé un nom "particlonde" , qui ne s'est pas imposé, et disait que la particlonde interfère avec elle même, ce qui est plus juste que de dire que c'est la seule particule (l'électron) qui le fait.

Enfin, ta dernière phrase

est-il possible d'interpréter tout cela mieux qu'en disant "si on applique ce modèle et ces principes, ça calcule avec une très forte précision ce que fait la nature, mais ça n'explique rien

est tout à fait pertinente pour accepter les processus quantiques tels qu'ils sont, c'est à dire profondément contre-intuitifs.

[Alikendarfen]

Jacknicklaus, merci... le mauvais côté de ta réponse est qu'elle sonne un peu comme "on ne pourra rien t'apprendre aujourd'hui"... !! Mais en fait, non, tu sembles au moins m'apprendre que j'ai compris un tout petit peu tout ça.

Est-ce qu'il y a cependant de bonnes lectures ou vidéos (accessibles pour un non spécialiste) qui tenteraient des interprétations (j'entends par "bonnes" des choses qui même si elles ne sont que des spéculations, ne sont pas farfelues et/ou font référence) ? Ou en tous cas des lectures ou vidéos qui parlent de l'approche qu'on peut avoir en terme d'interprétation dans ce type de situation (éventuellement pas seulement en mécanique quantique) ?

[mach3]

Je conseille "lumière et matière" de Feynman. Pas très cher, très facile à lire. Ce même Feynman disait à propos de la mécanique quantique "Si vous croyez comprendre la mécanique quantique, c’est que vous ne la comprenez pas ".

Dirac lui même a proposé un nom "particlonde" , qui ne s'est pas imposé

n'était-ce point "ondicule" plutot? sinon il y a aussi "quanton" qui a été proposé, c'est un peu utilisé, seulement un peu...

m@ch3

[A voir en vidéo sur Futura]

[jacknicklaus]

n'était-ce point "ondicule" plutot? sinon il y a aussi "quanton" qui a été proposé, c'est un peu utilisé, seulement un peu...

Apparemment, on parlait bien de particlonde (voir ici https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_d%27incertitude), et la ref 14 de cet article.
Mais effectivement, je me souviens aussi d'avoir lu "ondicule".

Peut-être un expert en histoire des sciences passant par ici saura dire qui a proposé quoi et quand...

[Chanur]

Au niveau énergétique, que se passe-t-il ? Si on accepte de dire que la source émet photon par photon, c'est donc l'énergie d'un photon qui est produite. Mais alors, comment l'énergie de l'onde se concentre-t-elle sur les fentes (et non pas sur toute la surface) pour recombiner un photon sur l'écran final ?

Question complémentaire: il semble que le dispositif des fentes ne fasse pas lui-même écran (un photon émis arrive sur l'écran qui est derrière ?). Comment est-ce possible ?

Quand il se déplace, le photon se comporte comme une onde. Donc il y en a toujours une partie qui passe par les fentes. Mais ça définit la probabilité de le mesurer à un endroit donné. Et effectivement, la probabilité qu'il arrive sur le premier écran n'est pas nulle.

[Alikendarfen]

Chanur, ok. Mais pourquoi il ne s'arrête pas sur le premier écran ? Ou bien est-ce qu'il s'y arrête parfois (c'est à dire redevient une particule), mais, comme ça n'est pas là qu'on souhaite l'observer, on ne considère pas ces cas ?

[Deedee81]

Salut,

Chanur, ok. Mais pourquoi il ne s'arrête pas sur le premier écran ? Ou bien est-ce qu'il s'y arrête parfois (c'est à dire redevient une particule), mais, comme ça n'est pas là qu'on souhaite l'observer, on ne considère pas ces cas ?

Ben oui, c'est ça. Les impacts sur le premier écrans ne sont pas intéressant pour l'expérience.

A noter que moi je n'aime pas l'expression "redevient une particule". Je préfère "interaction localisée"

[mach3]

Chanur, ok. Mais pourquoi il ne s'arrête pas sur le premier écran ? Ou bien est-ce qu'il s'y arrête parfois (c'est à dire redevient une particule), mais, comme ça n'est pas là qu'on souhaite l'observer, on ne considère pas ces cas ?

ben en fait si, sur 1000 particules, il y en a peut-être que quelques-uns qui passent par les fentes. Le rayon incident est forcément plus large que la surface où se trouve les fentes, et généralement celle-ci sont très fines. Les interférences sont mesurées sur les quelques particules qui passent par les fentes. Les particules qui ne passent pas par la fente sont soit absorbées, soit réfléchies.
On peut le penser en terme d'onde aussi, en pensant à des vagues sur l'eau qui arrivent contre un mur ou on a pratiquer deux ouvertures. Les vagues arrivent contre le mur, lui cèdent un peu d'énergie et repartent dans l'autre sens (souvent cela génère d'ailleurs un motif d'onde stationnaire), sauf là où il y a les ouvertures où les vagues s'infiltrent et diffusent en suite de manière circulaire de l'autre coté du mur et interfèrent.

m@ch3

[pascal_dal]

Je pense que tu as juste un point de vue plus rigoureux de la chose que la description de Wikipédia. Ce qui est sûr c'est que la source émet effectivement un photon, mais comme tu le dis un photon est "un machin" qui correspond à une particule une fois sur l'écran et dont la distribution correspond à celle d'une onde. En réalité on ne sait pas exactement ce qu'est un photon (et une particule au sens plus large). Ma définition est qu'un photon est un quanta d'énergie d'une onde électromagnétique mais il faut bien admettre que ça ne dit rien sur la nature du photon.

Je te donne mon point de vue très naïf qui ne connaît que la vulgarisation, mais pour autant je suis tout à fait d'accord avec toi. Et pour ta question "bonus", je suis incapable d'y répondre. Espérons qu'un connaisseur passe par là pour nous éclairer...

[Alikendarfen]

OK Deedee81, m@ch3, donc c'est plus clair et ma question sur l'énergie n'a pas de sens, du coup. Je m'étais fait avoir par l'idée d'onde, comme par exemple une onde sonore qui passerait par les fentes en étant partiellement arrêté par les "murs".

Donc, ce qui reste "étrange", c'est les points suivants:

- Pas de zones sombres si une seule fente
- Pas de zones sombres si on observe par où passe le photon au moment du franchissement des fentes

Et donc, ce qui est "étrange" c'est que du fait des deux fentes, il y a un évitement de certaines zones sur l'écran (les zones correspondant aux parties basses de l'onde calculée).

C'est ça ?

Est-ce que les conditions de l'expérience assurent que tout photon qui passe les fentes arrive toujours sur l'écran ? Ou pour le dire autrement, comme tous les photons émis ne passent pas par les fentes, on ne peut a priori pas compter qu'une émission correspond à une réception, du coup, soit on sait compter ceux qui arrivent à coté des fentes (sur le premier écran, pour avoir une balance carrée), soit on peut envisager que certains qui passent les fentes n'interagissent pas sur l'écran final.

Mais si on compte ceux qui ne passent pas par les fentes, ça revient à détecter ceux qui passent par les fentes... donc normalement on ne devrait plus avoir de zones sombres non plus...

mmm... ?

[Deedee81]

Salut,

Donc, ce qui reste "étrange", c'est les points suivants:

- Pas de zones sombres si une seule fente
- Pas de zones sombres si on observe par où passe le photon au moment du franchissement des fentes

Et donc, ce qui est "étrange" c'est que du fait des deux fentes, il y a un évitement de certaines zones sur l'écran (les zones correspondant aux parties basses de l'onde calculée).

C'est ça ?

Ce n'est pas si étrange. La différence ce sont les interférences de l'onde (selon qu'elle passe ou pas par deux fentes).

Surtout si on évite de raisonner en terme de particules (amha c'est une erreur de raisonner en terme de particules. Il faut toujours raisonner en termes d'onde. Mais onde non classique : interactions ponctuelles, caractère probabiliste et onde multi-"particules" très différentes, dépendant de six variables spatiales, c'est ce dernier point qui conduit à l'intrication).

A noter qu'avec cette façon de raisonner, tout devient simple : si j'essaie de voir par quelle fente passent les photons, je ne fais que transformer ma belle ondes sphérique sortant de deux fentes en un petit paquet d'ondes sortant d'une seule fente : plus "d'auto"-interférences, plus de franges.

Est-ce que les conditions de l'expérience assurent que tout photon qui passe les fentes arrive toujours sur l'écran ? Ou pour le dire autrement, comme tous les photons émis ne passent pas par les fentes, on ne peut a priori pas compter qu'une émission correspond à une réception, du coup, soit on sait compter ceux qui arrivent à coté des fentes (sur le premier écran, pour avoir une balance carrée), soit on peut envisager que certains qui passent les fentes n'interagissent pas sur l'écran final.

Je pense que c'est invérifiable.

Et il ne faut prendre en compte QUE ce qui passe par les fentes. Ce qui coince avant n'a pas d'importance (il y a même souvent encore un autre écran, avant, avec une seule fente dont le but est de disperser l'onde plane pour en faire une onde sphérique. C'est important si on utilise un faisceau d'électrons au lieu de photons, par exemple (avec un laser c'est moins problématique) et là aussi une partie percute le tout premier écran avant même d'arriver à celui avec les deux fentes. Mais on s'en fout. Ce qui compte c'est que certains passent).

[pascal_dal]

Oups je viens de voir qu'il y avait nettement plus de messages que je ne l'avais vu initialement en postant ma réponse (je n'avais que 3 messages dont la première réponse de jacknicklaus).

"Mais si on compte ceux qui ne passent pas par les fentes, ça revient à détecter ceux qui passent par les fentes... donc normalement on ne devrait plus avoir de zones sombres non plus..."

Pour répondre à ce point, je ne vois pas ce qui empêcherait de compter le "nombre d'impacts" sur ce premier écran sans que cela interfère sur les particules passées par les fentes. Tant qu'on ne cherche pas à savoir par quelle fente la particule passe, pour moi, elle "reste sous forme ondulatoire"

[Alikendarfen]

Surtout si on évite de raisonner en terme de particules (amha c'est une erreur de raisonner en terme de particules. Il faut toujours raisonner en termes d'onde. Mais onde non classique : interactions ponctuelles, caractère probabiliste et onde multi-"particules" très différentes, dépendant de six variables spatiales, c'est ce dernier point qui conduit à l'intrication).

A noter qu'avec cette façon de raisonner, tout devient simple : si j'essaie de voir par quelle fente passent les photons, je ne fais que transformer ma belle ondes sphérique sortant de deux fentes en un petit paquet d'ondes sortant d'une seule fente : plus "d'auto"-interférences, plus de franges.

Arf... avant ta réponse, j'étais en train de me persuader du contraire, à savoir que c'était plus simple de considérer une particule avec certaines propriétés de bout en bout...

Cependant, je pense voir l'idée dans ce que tu dis, mais du coup, est-ce que ça ne réintroduit pas mon problème concernant l'énergie (avec une perte sur les parties de l'onde qui sont à côté des fentes) ? Ou alors est-ce que les calculs 'forcent' la localisation de toute l'énergie sur les deux ondes issues de fentes ? Si oui, est-ce par choix explicite (au sens: j'ai ce système dans cette configuration, donc je pose les calculs pour deux ondes) ou bien est-ce que ça découle d'autre chose en amont ?

[Alikendarfen]

Oups je viens de voir qu'il y avait nettement plus de messages que je ne l'avais vu initialement en postant ma réponse (je n'avais que 3 messages dont la première réponse de jacknicklaus).

"Mais si on compte ceux qui ne passent pas par les fentes, ça revient à détecter ceux qui passent par les fentes... donc normalement on ne devrait plus avoir de zones sombres non plus..."

Pour répondre à ce point, je ne vois pas ce qui empêcherait de compter le "nombre d'impacts" sur ce premier écran sans que cela interfère sur les particules passées par les fentes. Tant qu'on ne cherche pas à savoir par quelle fente la particule passe, pour moi, elle "reste sous forme ondulatoire"

Exact, je pense que tu as raison.

[Deedee81]

mais du coup, est-ce que ça ne réintroduit pas mon problème concernant l'énergie (avec une perte sur les parties de l'onde qui sont à côté des fentes) ?

Non, car l'interaction étant ponctuelle, soit l'onde interagit avec le premier écran (et toute son énergie y est dissipée), soit l'onde passe par les deux fentes et interagit avec l'écran cible.

Ce phénomène de "concentration" de l'onde en un point, celui de l'interaction, est appelé "réduction de la fonction d'onde". Il est bizarre car il introduit quelque chose de non local (réduction "instantanée"). Il y a moyen de se passer de la réduction (il suffit de supposer que le résultat est une superposition quantique de toutes les interactions possibles et imaginables) mais c'est se gratter pour se faire rire comme disait mon ancien prof de physique. Il est plus simple de parler de réduction.

[pascal_dal]

"avec une perte sur les parties de l'onde qui sont à côté des fentes"

> juste sur ce point : un photon représente un quanta d'énergie, on ne peut donc "diviser" son énergie (bien qu'on représente sa répartition sur une onde, ce qui ne veut pas dire que c'est une onde)

[Edit] mince encore une fois je n'avais pas vu la réponse de Deedee81 autrement plus complète

[Deedee81]

Salut,

[Edit] mince encore une fois je n'avais pas vu la réponse de Deedee81 autrement plus complète

Non problemos. C'était important de préciser cette non divisibilité car en effet tout ça résulte de la quantification, tout est lié.