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Le principe d’indétermination d’Heisenberg, introduit pour la première fois par le physicien allemand Werner Heisenberg en 1927, pose une limite fondamentale sur la précision de mesure simultanée de deux propriétés d’une même particule. Si l’une de ces propriétés est mesurée avec précision, alors une incertitude de mesure pèse invariablement sur l’autre. Cependant, dans une étude récente impliquant la théorie de De Broglie-Bohm (onde pilote) et l’expérience à double fente, des physiciens ont montré que, même si le principe d’indétermination est respecté, l’incertitude peut s’avérer relative.

Heisenberg a utilisé le principe d’indétermination pour expliquer comment la mesure interfère avec le modèle d’interférence à deux fentes. Mais dans les années 1990, des physiciens quantiques ont affirmé qu’il était possible de déterminer laquelle des deux fentes serait traversée par la particule sans perturber de manière significative sa vitesse.

Dans ce type d’expérience, il y a une barrière avec deux trous ou fentes. Il y a également une particule quantique avec une incertitude de position suffisamment grande pour couvrir les deux fentes si elle est propulsée vers la barrière. Comme il est impossible de savoir quelle fente la particule traverse, elle agit comme si elle passait à travers les deux fentes.

Heisenberg s’est-il trompé ?

La signature de ceci est appelée le « motif d’interférence » : des ondulations dans la distribution des endroits où la particule est susceptible de se trouver, sur un écran au-delà des fentes, ce qui signifie un long chemin (souvent de plusieurs mètres) après les fentes. Mais que se passe-t-il si un appareil de mesure est placé près de la barrière, pour savoir quelle fente la particule traverse ? Le motif d’interférence sera-t-il encore visible ?

La réponse est non, et l’explication de Heisenberg est que, si la mesure de position est suffisamment précise pour indiquer la fente dans laquelle la particule passe, elle perturbera sa vitesse de manière aléatoire, juste assez pour affecter sa position sur l’écran, et ainsi neutraliser le motif d’interférences.

experience double fentes

Illustration décrivant l’expérience des doubles fentes et le schéma d’interférence résultant. Crédits : NekoJaNekoJa/Johannes Kalliauer

Mais les physiciens quantiques se sont rendus compte que la détermination de la fente à travers laquelle la particule passait ne nécessitait pas une mesure de position en tant que telle. Toute mesure donnant des résultats différents en fonction de la fente traversée par la particule serait admissible.

Et ils ont mis au point un dispositif dont l’effet sur la particule n’est pas celui d’un impact aléatoire sur sa vitesse au cours de son passage. Par conséquent, ont-ils soutenu, ce n’est pas le principe d’indétermination de Heisenberg qui explique la perte d’interférence, mais un autre mécanisme.

La confirmation des prédictions d’Heisenberg

« Nous n’avons pas à entrer en détails dans ce qu’ils ont prétendu être le mécanisme de destruction des interférences, car notre expérience a montré qu’il existe un effet sur la vitesse de la particule, de la taille prédite par Heisenberg. Nous avons vu ce que d’autres ont manqué, car cette perturbation de la vitesse ne se produit pas lorsque la particule passe à travers le dispositif de mesure. Au lieu de cela, elle est retardée jusqu’à ce que la particule ait bien dépassé les fentes, en direction de l’écran » expliquent les auteurs de l’article.

schema experience heisenberg

Schéma décrivant le dispositif expérimental utilisé par les chercheurs. Dans cette expérience, des photons (SP) ont été utilisés. Crédits : Ya Xiao et al. 2019

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Cela est rendu possible par la nature ondulatoire des particules. « En fait, la théorie à la base de notre expérience était une théorie dans laquelle la nature de l’onde et celle de la particule sont manifestes — l’onde guide le mouvement de la particule selon l’interprétation introduite par le physicien théoricien David Bohm, une génération après Heisenberg ». Les détails de l’expérience ont été publiés dans la revue Science Advances.

Le triomphe du principe d’indétermination

Des scientifiques chinois ont suivi une technique suggérée dans un étude de 2007 pour reconstruire le mouvement hypothétique des particules quantiques à partir de nombreux points de départ possibles à travers les deux fentes et pour les deux résultats de la mesure. Ils ont comparé les vitesses dans le temps quand il n’y avait aucun appareil de mesure présent à ceux quand il y en avait, et ont ainsi déterminé le changement des vitesses résultant de la mesure.

L’expérience a montré que l’effet de la mesure sur la vitesse des particules persistait longtemps après que les particules aient traversé le dispositif de mesure lui-même, à une distance maximale de 5 mètres de celui-ci. À ce stade, dans le champ lointain, le changement cumulatif de vitesse était juste assez important, en moyenne, pour effacer les ondulations du motif d’interférence, confirmant ainsi les prédictions d’Heisenberg et l’implication de son principe d’indétermination.

Sources : Science Advances

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