Les fentes de Young avec des électrons

L'expérience qui contient tout le mystère

Richard Feynman disait de l'expérience des fentes de Young qu'elle renferme « le seul mystère » de la physique quantique. Réalisée avec des électrons, elle est la démonstration la plus frappante de la dualité.

Le montage

On envoie des électrons, un par un, vers une paroi percée de deux fentes, derrière laquelle se trouve un écran détecteur.

   source        deux fentes         ecran detecteur
   d'electrons        ||
                      ||             |
      e-  ------>     ||     ------> |  (chaque electron
                   ___||___          |   fait UN point)
                      ||             |
                      ||             |

Ce qu'on attendrait de simples particules

Si l'électron était une bille classique, il passerait par une fente ou par l'autre. On obtiendrait deux bandes, en face de chaque fente :

   Attendu pour des billes :        Ecran
                                    |  ####     <- face a la fente 1
                                    |
                                    |  ####     <- face a la fente 2

Ce qu'on observe réellement

Au lieu de deux bandes, l'écran se couvre de franges alternées — des zones où beaucoup d'électrons arrivent, séparées par des zones où aucun n'arrive. C'est une figure d'interférences, la signature indiscutable d'une onde :

   Observe :                        Ecran
                                    | ##
                                    |     ####
                                    | ##########   <- frange brillante centrale
                                    |     ####
                                    | ##
                                    (franges d'interference)

L'électron, en traversant, se comporte comme une onde qui passe par les deux fentes à la fois et interfère avec elle-même.

Le vertige : un électron à la fois

Le plus troublant : on peut envoyer les électrons un par un, avec de longues pauses. Chacun fait bien un seul point sur l'écran (aspect particule). Mais à mesure qu'ils s'accumulent, les points dessinent peu à peu la figure d'interférences (aspect onde) :

   10 electrons :    . .  .   . .      (points disperses, aleatoires)
   1000 electrons:   .:.: :.:: .:.     (une structure apparait)
   100000 elec.  :   franges nettes    (l'onde etait la depuis le debut)

Chaque électron « sait » où il a le droit d'atterrir, comme s'il avait interféré avec lui-même. La figure d'onde était donc encodée dans chaque électron individuel.

Le coup de grâce : regarder par quelle fente il passe

Si l'on installe un détecteur pour savoir par quelle fente chaque électron passe, la figure d'interférences disparaît : on retrouve les deux bandes des billes classiques ! Observer par où il passe le force à « choisir » une fente et détruit son comportement d'onde.

   sans "espion"  ->  franges (onde)
   avec "espion"  ->  deux bandes (particule)

En résumé

Envoyés un par un vers deux fentes, les électrons arrivent en points isolés (particules) mais construisent collectivement une figure d'interférences (onde) : chacun interfère avec lui-même. Et si l'on cherche à savoir par quelle fente passe l'électron, les interférences s'évanouissent. C'est le cœur de la dualité onde-corpuscule : la nature de l'électron dépend de la question qu'on lui pose.