Source: The Conversation – in French – By Fabrizio Bucella, Full Professor, Université Libre de Bruxelles (ULB)
Quelle est l’expérience qui permet aux novices d’appréhender les mystères de la mécanique quantique et qui continue de faire vibrer les physiciens ? Partons à la découverte de l’expérience de la « double fente » !
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.
L’étude de la nature de la lumière, avant la physique quantique
La double fente démarre comme une expérience totalement classique.
Wikimédia.
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.
Wikimédia, CC BY
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.
Fin du premier acte.
La double fente de Feynman, ou la nature des électrons
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.
Tamiko Thiel, Wikipédia.
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.
NekoJaNekoJa, traduit en français par Christophe Dioux., CC BY-SA
Pour ne pas porter 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. Derrière cet écran se trouve un second écran, qui sert simplement à enregistrer les impacts des particules. Imaginez aussi que vous disposez d’un canon capable d’envoyer des électrons. Que devrait-il se passer ? Si l’on tire des électrons vers l’écran, la plupart seront arrêtés par le premier écran, sauf ceux qui passent par les fentes. On s’attend donc à voir apparaître sur le second écran deux zones d’impact, alignées avec les deux fentes.
Mais ce n’est pas ce qui se produit. À la place, on observe sur le deuxième écran un motif appelé « franges d’interférence » : une alternance régulière de bandes claires et de bandes sombres.
Pourquoi ? Parce que les électrons ne se comportent pas comme des particules, mais comme des ondes. Et les ondes peuvent se combiner entre elles. Lorsque deux ondes s’additionnent, elles produisent une interférence constructive, qui donne une zone claire. Lorsqu’elles s’annulent partiellement, elles produisent une interférence destructive, qui donne une zone sombre. L’interférence constructive ou destructive dépend de la différence de chemin parcouru par les deux ondes depuis chaque fente jusqu’à un point de l’écran (exactement comme dans l’expérience de Young).
Jusqu’ici, cela peut encore sembler compréhensible. Mais imaginons maintenant que l’on envoie les électrons un par un avec notre canon à électrons, sans viser une fente en particulier. Dans ce cas, chaque électron est seul. Intuitivement, il devrait donc passer par une seule fente, et on ne devrait plus observer de franges d’interférence. Pourtant, ce n’est toujours pas ce qui se produit. Au fur et à mesure que les électrons arrivent un par un sur l’écran, le motif d’interférence finit malgré tout par apparaître.
Comment l’expliquer ? En mécanique quantique, on décrit l’électron par une fonction d’onde, c’est-à-dire une description probabiliste de son comportement. Cette fonction d’onde peut passer simultanément par les deux fentes, se superposer à elle-même et produire les interférences observées sur l’écran. Attention, on ne dit pas que l’électron passe par les deux fentes à la fois. L’électron n’est pas aux deux endroits à la fois, c’est sa fonction d’onde (c’est-à-dire sa description de probabilité quantique) qui se propage à travers les deux fentes et interfère avec elle-même.
Roger Bach et collaborateurs, « New J. Phys. » 15 033018, 2013., CC BY
Mais allons encore plus loin. Imaginons que l’on place un détecteur après une des fentes afin de savoir par quelle fente l’électron passe réellement. Parfois, on entend un clic : cela signifie que l’électron est passé par cette fente. S’il n’y a pas de clic, on en déduit qu’il est passé par l’autre fente. Que se passe-t-il alors sur l’écran ? Les franges d’interférence disparaissent. Le simple fait de mesurer le passage de l’électron force le système quantique à interagir avec l’appareil de mesure. Cette interaction détruit la superposition des états et empêche la formation des interférences. Les physiciens ont appelé ce phénomène l’« effondrement de la fonction d’onde ». Le mécanisme à l’œuvre, l’interaction avec le détecteur qui brouille la superposition, porte le nom de « décohérence quantique ».
Bref, tant qu’on ne regarde pas, le monde quantique se permet des comportements bizarres. Dès qu’on l’observe, il rentre dans le rang.
Fin du deuxième acte.
Mais, pour l’anecdote, et la correction historique, notons que si, pour Feynman, l’expérience était vraiment une expérience de pensée, le physicien Claus Jönsson avait déjà réalisé à Tübingen (Allemagne) l’expérience avec une vraie double fente et de vrais électrons en 1961 ! Ses résultats avaient été publiés dans Zeitschrift für Physik. Feynman l’ignorait, car l’article n’a été traduit en anglais qu’en 1974 dans l’American Journal of Physics. C’était une époque – tout à fait révolue – où les publications de physique ne se faisaient pas forcément en anglais.
Une avancée spectaculaire
Image tirée du documentaire « L’esperimento più bello » (2010), Consiglio Nazionale delle Ricerche, Cineteca di Bologna (Italie)
La double fente connaîtra une avancée spectaculaire en 1974 lorsque les Italiens Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli et Giulio Pozzi vont envoyer les électrons un par un à travers un biprisme, qui est une sorte de paire de fentes virtuelles créée par un champ électrique. C’était à Bologne et ils vont même en tirer un film, qui sera primé au festival du film scientifique et technique de Bruxelles en 1976. La différence avec l’expérience de Claus Jönsson en 1961 est capitale. Jönsson envoyait un flot d’électrons, les Italiens les envoient un par un et le motif d’interférence se construit impact après impact. C’est bluffant.
Ensuite, en 1989, les Japonais Akira Tonomura, Junji Endo, Tsuyoshi Matsuda, Takeshi Kawasaki et Hiroshi Ezawa, chez Hitachi, vont réaliser la même opération, toujours avec un biprisme.
Malheureusement, la prouesse italienne des électrons un par un passera par pertes et profits. Dans les manuels, on retient l’expérience japonaise alors que l’expérience italienne a eu lieu quinze ans avant… juste parce qu’un « concours » lancé en 2002 par le philosophe des sciences Robert P. Crease dans la revue Physics World a désigné l’expérience de la double fente avec les électrons un par un comme « la plus belle expérience de physique de tous les temps »… mais, pas de bol, la revue a attribué l’expérience aux Japonais au lieu des Italiens. Malgré un rectificatif publié plus tard, le mal était fait et bien fait, d’autant que Crease surfera sur la vague du concours avec un livre à succès.
Fin du troisième acte.
Au XXIᵉ siècle, l’épopée de la double fente continue
Pour avoir une vraie double fente et des électrons un par un, comme l’avait décrit Feynman, il faudra attendre 2013 avec Roger Bach, Damian Pope, Sy-Hwang Liou and Herman Batelaan, à l’Université du Nebraska à Lincoln. Ici, on a littéralement le dispositif décrit par Feynman soixante-cinq ans auparavant : un canon à électrons qui les envoie un par un, de vraies fentes découpées dans de la vraie matière et même un dispositif qui ferme une des deux fentes à la demande.
Mais l’histoire de la double fente ne s’arrête pas là…
Début 2026, le groupe de Markus Arndt à l’Université de Vienne (Autriche) vient de publier le résultat d’interférences avec des agrégats de sodium d’environ 8 nanomètres et 170 000 unités de masse atomique, soit l’équivalent de 170 000 atomes d’hydrogène. C’est totalement bluffant, car la taille des amas métalliques envoyés dans le dispositif est comparable aux plus petites échelles de la microélectronique actuelle !
La double fente continue de nous épater.
Cet exposé suit le déroulé de la conférence donnée aux lycéens du Lycée français de Rabat (Maroc), dont la vidéo est en ligne.
Fabrizio Bucella ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.
– ref. L’histoire de la « double fente », l’expérience qui contient tout le mystère de la quantique – https://theconversation.com/lhistoire-de-la-double-fente-lexperience-qui-contient-tout-le-mystere-de-la-quantique-289548