De quoi est composée notre expérience ?
Montage expérimental de notre expérience
La LED tricolore
Notre expérience des fentes d'Young se fait avec une lumière monochromatique. Vous pouvez voir ici que la taille de l'interfrange dépend de la longueur d'onde de la lumière utilisée. La LED tricolore vous permet de choisir la couleur bleue, rouge ou verte pour vérifier cette propriété!
L'interfrange est proportionnelle à la longueur d'onde. Or la lumière bleue a une plus petite longueur d'onde (environ 500nm) que la lumière rouge (environ 650). Donc son interfrange est plus petite.
La densité optique
Une densité optique absorbe en partie la lumière. Elle est placée juste devant les fentes pour atténuer la lumière et se placer le plus proche possible du régime de photon unique, c'est-à-dire qu'il y a en moyenne moins d'un photon à la fois dans le tube. Pour mieux comprendre l'intérêt de ce régime, venez voir ici .
Les fentes
Les fentes permettent de passer d'une seule source de lumière (la LED) à deux sources de lumières qui sont parfaitement cohérentes. Pour mieux comprendre comment la lumière interfère grâce aux fentes, venez voir par ici .
Les polariseurs
Pour mettre en évidence l'impact de la mesure sur les résultats prévus par la théorie quantique, nous avons décidé d'ajouter des polariseurs dans le tube. Deux polariseurs se trouvent juste après les deux fentes, un pour chaque fente, orthogonaux l'un par rapport à l'autre, de sorte que la lumière qui passe par chaque fente est polarisée linéairement de manière différente. L'idée est que, si vous mesurez la polarisation des photons sur l'écran, vous pouvez déterminer par quelle fente ils sont passés. Nous avons aussi ajouté un polariseur d'entrée, qui polarise linéairement la lumière qui arrive dans le tube et permet de s'assurer que les deux sources seront cohérentes, et un polariseur de sortie que l'expérimentateur peut contrôler.
If take off the polarizer after the double-split device, the light that goes into the left split is polarized diffrently than the light that goes through the right split. According to quantum theory, there isno interference anymore because you can measure what split each photon passed through. C is also correct and is the explanation of the absence of interference on the screen in the classic theory.
La caméra
La caméra vient prendre la place de l'écran pour nous permettre d'observer plus précisément les interférences. En effet, la caméra est composée d'une grille de pixels. A chaque fois qu'un photon arrive sur un pixel, celui-ci transforme le signal lumineux reçu en un signal électrique, en envoyant un électron. Ainsi, la caméra retransmet un signal électrique final qui nous donne l'image observée sur le site.
A quoi servent les paramètres ?
Réglages des paramètres de la caméra
Temps d'exposition
Le temps d'exposition correspond à l'intervalle entre deux images envoyées par la caméra. Plus le temps d'exposition est long, plus le signal reçu par la caméra entre deux images sera important.
The number of photons on each image is directly proportional to the exposure time. The signal-to-noise ratio only depends on the light in the room and on the geometry of the device.
Seuil
Le seuil correspond à l'intensité minimale reçue par la caméra à partir de laquelle cette dernière considère qu'elle a bien reçu un photon: si on l'augmente, on pourra par exemple limiter l'influence du bruit s'il est suffisamment faible en comparaison aux interférences recherchées.
Il est temps d'établir un protocole!
Dans cette partie, nous vous proposons de vous laisser guider dans l'établissement d'un protocole, pour mieux comprendre à quoi peut servir notre expérience.
La lumière: onde ou corpuscule?
La dualité onde corpuscule est le premier grand mystère de la physique quantique; celui qui a occupé les plus grands scientifiques depuis plus de deux siècles. Notre expérience, bien qu'elle ne permette pas de prouver l'existence de cette dualité (voire ici pour plus d'explications), nous donne une belle illustration de ce concept. Certains scientifiques ont découvert que la lumière possédait des propriétés très similaires aux autres ondes que l'on connaissait déjà comme par exemple les ondes mécaniques des vagues, tandis que d'autres n'ont réussi à expliquer certains phénomènes qu'en considérant la lumière comme corpusculaire. Notre expérience est l'occasion de se poser la question à notre tour: la lumière est-elle onde ou corpuscule?
Faisons une hypothèse: qu'en pensez vous?
Hypothèse 1: la lumière est une onde.
Nous avons supposé que la lumière est une onde. Maintenant, il faut chercher à établir un protocole pour retrouver, à l'aide de notre expérience, un phénomène de la lumière qui ressemblerait à celui des ondes que l'on connait. Alors, quelles sont les caractéristiques des ondes que nous connaissons? Que peut-on tester? Si tu ne te souviens plus des propriétés d'une onde, tu peux aller regarder sur notre page théorique juste en dessous.
Nous allons vérifier que la lumière se comporte comme une onde: quand on divise un faisceau en deux parties, ces deux ondes interfèrent. On a donc besoin d'un faisceau lumineux (la LED), de fentes pour le diviser et d'un écran pour observer le résultat (ici, c'est la caméra). On s'attend à voir sur l'écran des franges d'interférences, c'est-à-dire des zones alternativement sombres et lumineuses. Si tu as besoin d'aide pour le réglage des paramètres, ça se trouve juste au dessus . C'est parti?
Alors, quel est le résultat? On voit effectivement des franges, alors ça semble bien, la lumière se comporte comme une onde, comme nous l'avions prévu! Cependant, la lumière semble arriver sur l'écran sous forme d'impacts...est-ce la lumière serait en fait aussi corpusculaire? Tu peux refaire le protocole avec une autre hypothèse si tu le souhaites.
Hypothèse 2: la lumière est corpusculaire.
Nous avons supposé que la lumière est corpusculaire. Maintenant, il faut chercher à établir un protocole pour retrouver, à l'aide de notre expérience, un phénomène qui mette en évidence cette nature corpusculaire. Le modèle corpusculaire de la lumière suppose que celle-ci est constituée de particules appelée les photons. Mais ceux-ci arrivent si nombreux qu'il est difficile de les distinguer. Nous allons donc chercher à atténuer la lumière le plus possible pour que très peu de photons passent dans notre dispositif et arrivent à la caméra. Pour cela, nous utilisons des densités optiques qui vont absorber une grande partie de la lumière entrante devant les fentes. Mais on peut également régler les paramètres de la caméra pour observer moins de photons à la fois. Quel est le paramètre à changer le plus adapté? Si tu ne t'en souviens plus, tu peux aller regarder à nouveau à quoi servent les paramètres de la caméra juste en dessous.
Nous allons vérifier que la lumière se comporte comme un groupe de corpuscules: nous allons envoyer un faisceau lumineux sur l'écran, atténué à l'aide d'une densité optique. Puis nous allons diminuer le temps d'exposition de la caméra dans l'espoir de n'avoir que très peu de lumière à chaque capture, et donc d'observer des corpuscules, c'est-à-dire des points sur l'écran. Si tu as besoin d'aide pour le réglage des paramètres, ça se trouve juste au dessus . C'est parti?
Alors, quel est le résultat? On voit effectivement apparaître, au fur et à mesure, des points sur l'écran. Attention, ces points ne correspondent pas exactement à des photons, mais ils en ont la traduction relativement fidèle (voire le fonctionnement d'une caméra EMCCD ici ). La lumière se comporte donc comme si elle était composée de corpuscules, nous avions raison! Mais, si on continue à observer la figure, on sera surpris de voir que la lumière n'arrive pas uniformément sur l'écran, ce qui n'est pas prévisible avec un modèle aussi simple que le nôtre...alors, la lumière serait-elle en fait aussi une onde? Tu peux refaire le protocole avec une autre hypothèse si tu le souhaites.