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Article
A propos de l'expérience de S. Afshar
Par Aurélien Drezet (aurelien.drezet at uni-graz.at)
13/05/05

Aurélien Drezet est un physicien français travaillant en Autriche. Il nous a envoyé cet article dont nous le remercions.
Sur S.Afshar, voir notre article http://www.automatesintelligents.com/labo/2004/juil/afshar.html
On pourra lire aussi, sur un sujet connexe, celui de l'analyse transactionnelle de Cramer, celui de Pavel Kurakin http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2005/61/pavel.htm

Il y a de cela un an un article discutant d’une expérience menée par le physicien Iranien S. Afshar travaillant dans l’université de Harvard aux Etats-Unis fut publié dans la revue hebdomadaire britannique New Scientist (n°2457 du 24 juillet 2004). Cette expérience d’optique très simple qui cherche à remettre en cause la pensée des fondateurs de la physique quantique moderne que furent Bohr et Einstein provoqua une longue discussion dans les colonnes du New Scientist.

Lors de sa parution cet article mentionnait par prudence que les résultats de l’expérience n’avaient pas été publiés dans un journal scientifique et qu'ainsi la communauté scientifique avait encore à juger du bien fondé des idées de S. Afshar. Plus d’un an après aucune publication n’est encore parue. Pour une personne extérieure à la communauté des physiciens, deux alternatives selon moi peuvent se présenter à l’esprit. La première est de conclure que cette expérience est faussement révolutionnaire et que les physiciens préfèrent ne pas commenter le travail de Afshar. La seconde est qu’il s’agit d’un complot des défenseurs de l’orthodoxie qui se refusent à remettre en question les bases de leurs pensées.

Connaissant bien l’expérience et l’ayant critiquée lors de nombreuse discussion avec S.Afshar il y a de cela un an déjà, je voudrais ici décrire brièvement mon raisonnement et dire pourquoi je pense que l’expérience de S. Afshar n’a rien de sensationnel ni de révolutionnaire.

Le problème est simple et pour vous aider vous pouvez vous référer à la figure ci-dessus. Il s’agit d’un problème d’optique. Si vous avez une lentille L imageant deux trous A et B de Young par lequel passe une onde lumineuse cohérente, vous pouvez voir dans le plan focal (F) des franges d'interférences et dans le plan image (I) deux beaux spots A' et B' bien distinct. Cela c'est de l'optique ondulatoire et est simple à comprendre. En effet une onde cohérente passant pas un écran percé de deux trou A et B va comme des vagues dans un port créer des interférences c'est-à-dire des oscillation dans l’intensité. Le fait de placer une lentille (L) en face des trous permet de visualiser ces franges simplement dans le plan focal (F) de la lentille. Par ailleurs une lentille sert avant tout à imager donc vous pouvez comprendre que l’on va observer deux belles images A’ et B’ à une certaine distance de la lentille.

Tout cela est trivial et un lycéen pourrait le comprendre. Maintenant si vous pensez en termes de photons alors vous avez un problème car le photon en tant que particule de lumière est une entité discrète qui ne peut être absorbée que dans un et un seul des deux plans (F ) ou (I) .

Je m’explique. Le photon qui fut introduit par Einstein en 1905 pour expliquer certains faits expérimentaux est une particule de lumière qui ressuscite les conceptions corpusculaire de Newton. Einstein qui à la différence de Newton connaît les lois de l’électromagnétisme découvertes par Maxwell au 19ème siècle ne peut cependant pas rejeter la théorie ondulatoire.

C’est là que les problèmes commencent et on peut s’en apercevoir en utilisant cette fameuse expérience des trous de Young (physicien anglais ) discutée précédemment. En effet comment expliquer cette alternance de raies sombres et obscures observées dans le plan focal (F) avec des particules ? Si on suppose que les photons sont des balles alors cela ne pourra jamais se produire et il n’y aura pas de franges du tout. Peut être s’agit il d’un effet mystérieux d’interaction entre photons, mais cela peut être exclu si on travaille avec un seul photon à la fois car alors le photon étant tout seul dans l’appareil ne peux pas interagir avec un autre. Par ailleurs le photon produit un impact bien localisé sur l’écran de détection. On ne peut donc douter de son existence. Tout semble ainsi se passer comme si chaque photon connaissait l’existence des deux trous et cela même s'il ne peut passer que par l’un des deux orifices : soit A soit B.

C'est ce que l'on appelle la dualité onde corpuscule et actuellement personne ne sait pourquoi les choses se passent ainsi. Bohr proposa en 1927 une explication curieuse cherchant à transformer une défaite en victoire. Cette explication n’est pas en soit une réponse à la question ‘’qu’est ce que la lumière’’ mais plutôt un moyen de dire pourquoi on n‘a pas besoin de savoir ce qu’est la lumière pour faire de la physique. La réponse de Bohr consiste en gros à dire: ne cherchez pas à comprendre ce qu’est au fond la lumière, cela n’a aucun sens; car d’une part il semble impossible de concilier ces deux images que sont l’onde et la particule et d’autre part, et cela est le point clef, on n’a aucun moyen de décider expérimentalement en faveur de telle ou telle hypothèse.

En effet il ne suffit pas de bâtir des modèles audacieux sur la nature de la lumière, encore faut-il pouvoir les tester. Bohr suivi d'Heisenberg s’est aperçu que l'on ne pouvait pas trancher. Et il baptisa ce principe le principe de complémentarité. Selon la complémentarité de Bohr vous ne pouvez pas voir un photon dans les deux plans et ce photon doit donc ou bien participer aux franges d’interférences ou bien aux spots A' et B'. Comme vous le voyez cette complémentarité ne parle pas de ce qui ''est '' mais uniquement de ce que l'on peut voir (je simplifie pour le besoin de la compréhension). Les expériences de physique quantiques visant à tester cette complémentarité peuvent être beaucoup plus complexes mais au fond elles reviennent toujours au même. Si vous chercher à savoir par où est passé le photon (plus exactement si vous chercher à reconstruire la distribution de particules dans le plan des trous A et B) alors vous ne pouvez pas observer les franges avec ces même photons et la réciproque est vraie aussi.

Bien. Maintenant viens la subtilité de l’expérience de Afshar. Cette expérience cherche à mettre en défaut le raisonnement de Bohr d’une manière simple. Vous ajoutez dans le plan focal (F) la fameuse grille périodique G de Afshar adroitement positionnée de telle façon que les barres tombent exactement sur les minima des franges dans (F) (NB : en fait Afshar travaille dans un plan situé juste avant la lentille mais cela ne change rien du tout au résultat).

Vous observez maintenant vos photon dans (I ) et après accumulations vous observez encore les deux spots A' et B' inchangés (idéalement bien sûr). Cependant puisque les barres n'ont pas eu l'effet d'absorber un flux conséquent vous en déduisez que l'intensité de la lumière est nulle (ou presque) là ou se situent les barres. Bien sûr cela est normal si vous pensez en termes d’ondes car là où il y a minima il n’y a pas d’onde. Si rien ne touche les barres l’onde ne subit pas de perturbation et les spots A’ et B’ seront inchangés. Aurait-on réussi à prouver l’existence des franges sans les détecter ? Aurait-on ainsi montré que l'on peut utiliser un photon pour reconstruire à la fois et les franges d’interférences et les images A’ et B’ ? Clairement c’est ce que pense Afshar mais je pense le contraire.

N’oubliez pas que pour tester la complémentarité de Bohr il nous faut parler d’observation et non de spéculation. Le message de Bohr est ‘’un photon ne peux pas servir à la fois à construire des franges d’interférences et les images A’ et B’" Ces deux informations sont incompatibles mais complémentaires. Elles sont incompatibles car elles nécessitent de faire un choix : le photon est soit détecté pour construire des franges soit pour faire des images. Elles sont complémentaires car seul l’ensemble des deux types d’expériences faites avec des photons différents permet de complètement décrire les propriétés de la lumière. Dans le cas de l’expérience d’Afshar le fait de détecter les photons en A’ ou B’ est clairement une mesure de la distribution de particules dans les trous A et B. Cependant il s’agit aussi d’une mesure d'une partie des franges d'interférences car en effet vous savez aussi que aucun des photons n’a été absorbé par la grille. Vous pourriez en principe améliorer la rigueur de cette mesure en comptant les photons absorbés par les barres (avec des détecteurs sur les barres).

Cependant, et c'est la l'erreur de Afshar, le fait de savoir que pas ou peu de photon sont absorbés au niveaux des barres ne nous dit absolument rien sur la forme de la distribution de particules dans le reste du plan focal et donc sur la forme des franges. Ainsi des mesures effectuée par Afshar dans le plan (I) des images A’et B’ vous ne pouvez réellement expérimentalement déduire que les franges existent dans (F). Cela serait comme dire que en voyant le sommet de la tour Effel je connais la couleur de la casquette du vendeur de tickets situé à l'entrée (à supposer qu’il porte une casquette).

C'est donc en relevant une erreur basique de logique que l'on peut contre-argumenter l’interprétation d’Afshar.

Je voudrais aussi conclure que je suis certain que le principe de complémentarité de Bohr survivra toujours, de la même façon que je suis certain que sa position philosophique est trop extrême et que l’on pourra un jour construire un modèle théorique qui décrira comment ce déplace réellement un photon. Cela peut vous sembler paradoxal mais je ne peux ici pour ma défense que citer Bohr qui disait que la clarté et la vérité sont comme pour le photon deux information complémentaires ; et Einstein pour qui les choses en physique doivent être aussi simples que possible mais pas plus que cela.

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