Tout le mystère de la physique quantique est résumé dans cette unique expérience

Le physicien américain Richard Feynman (1918-1988) disait de la « double fente » que c’était l’expérience qui contenait tout le mystère de la quantique. L’eau a coulé sous les ponts depuis ses cours des années 1960, mais, conceptuellement, les choses n’ont pas changé : on peut toujours expliquer les dernières expériences de la physique quantique en revenant à la double fente et à son formalisme.

Embarquons pour un tour du propriétaire, remontant aux anciens – bien avant Feynman – aux modernes… puisque la dernière instance en date de l’expérience de la double fente date de… 2026.

En 1801, le physicien Thomas Young éclaire deux petits trous percés dans un carton. Ces deux trous deviennent à leur tour des sources lumineuses secondaires. Sur le mur de sa chambre, au-delà des trous, Young constate l’apparition de franges d’interférences. Donc, les deux trous, en tant que sources lumineuses, interfèrent l’un avec l’autre : en fonction de la position sur le mur, Young observe des interférences soit constructives (on a une bande claire), soit destructives (on a une bande sombre).

Si vous voulez essayer à la maison, on peut facilement obtenir des franges d’interférence par diffraction avec un laser de poche et un cheveu, le cheveu jouant le rôle des deux fentes, car il sépare le faisceau en deux de part et d’autre.

Cette expérience réalisée un peu par hasard et avec les moyens du bord sera reprise dans ses Lectures en 1807. Elle deviendra la preuve expérimentale canonique que la lumière se comporte comme une onde. En effet, si la lumière se comportait comme des particules, on trouverait deux taches lumineuses sur le mur en regard des deux fentes.

Puis, au début du XXᵉ siècle, est apparue la « nouvelle physique », qu’on a depuis appelée « mécanique quantique ». C’est la théorie qui décrit la matière aux plus petites échelles. En 1924, le Français Louis de Broglie ose l’hypothèse décisive : toute particule de matière possède aussi un comportement d’onde.

Pour illustrer ce comportement, Richard Feynman utilise la double fente dans son article fondateur sur les intégrales de chemin (1948) , mais la version la plus célèbre arrivera dans ses cours à Caltech donnés de 1961 à 1963 aux premières et deuxièmes années. Pour Feynman, la double fente est l’expérience qui recèle tout le mystère de la physique quantique (ou « mécanique quantique », comme on disait à l’époque).

Feynman réalise cette expérience comme une expérience de pensée, sans vérification expérimentale, mais le formalisme de la quantique étant tellement puissant et tellement précis, nul doute que, si on devait faire cette expérience en vrai, on trouverait le résultat prévu.

Pour ne pas prêter à confusion avec les fentes de Young et la nature de la lumière, Feynman décrit une expérience avec des électrons. C’est le premier point qui perturbe souvent mes étudiants. Si ce point vous gêne, vous pouvez imaginer que les électrons sont des photons sans aucun souci, car cette expérience montre en fait que les électrons se comportent comme des photons, et les photons comme des électrons.

Imaginez un écran percé de deux ouvertures en forme de fentes.