Le Monde selon la PHYSIQUE ( w48-49) 2 eme partie : BOHR A RAISON ET PAS EINSTEIN ?

Il y a profusion d' articles intéressants et surtout de résultats expérimentaux nouveaux, ;donc je ne sais plus où donner de la tête ! Voici en seconde partie la réalisation à SACLAY  d’une expérience de pensée ayant stimulé une querelle historique entre EINSTEIN et BOHR !

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Les physiciens utilisant le synchrotron SOLEIL en France sont tout proches  de réaliser une expérience de pensée proposée en 1927 par Albert Einstein. C’est une variation sur l'expérience à  double fente bien-connue et  la mesure confirme un aspect de la théorie quantique qu'Einstein avait cherché à discréditer. L'expérience SOLEIL utilise deux atomes excités à la place des deux fentes de l'expérience de Einstein et montre que lorsque l'on peut déterminer quel atome a émis un électron, alors le  motif d'interférence quantique s’évanouit.

Einstein a fait plusieurs tentatives pour réfuter l'incertitude inhérente à  la mécanique quantique en proposant des expériences de pensée, qui ne pouvaient être réalisées dans le laboratoire à l'époque. Dans un cas, le principe de la dualité onde-particule,  prédit qu’ une succession de particules individuelles en passant par deux fentes va construire un diagramme de diffraction comme une onde  sur un écran. Cela se produit parce que la propriété ondulatoire de chaque particule lui permet de voyager à travers les deux fentes à la fois. Einstein avait   souligné qu’ un capteur très sensible pourrait détecter le recul de la fente individuelle  lorsque chaque électron passe à travers, tout en ne perturbant pas le motif de diffraction. Cela  allait à l'encontre de la mécanique quantique, et le  grand rival d'Einstein, Niels Bohr, avait  répliqué en faisant valoir que le motif de diffraction pouvait  tout simplement  ne pas se produire si l'expérimentateur savait  par quelle fente chaque électron avait traversé.

Bien que c’était une expérience de pensée pure à l'époque, la combinaison de  sa simplicité conceptuelle et la difficulté expérimentale formidable a suscité  un défi irrésistible pour les expérimentateurs modernes. En 2001 Serge Haroche et ses collègues de l'Ecole Normale Supéérieure à Paris ont démontré le principe  par  l’emploi d’ un système analogique, en utilisant une impulsion  micro-ondes pour diviser l'état interne d'un petit nombre d'atomes de Rydberg en deux Etats distincts qui ont évolué à des rythmes différents avant d'être recombinés. Puis, en 2011 Jörg Schmiedmayer et ses collègues de l'Université de Technologie de Vienne ont  atteint une approximation encore  plus proche.

 Plus recemment  Catalin Miron et ses collègues de SOLEIL, avec des collaborateurs en Suède, Japon et  Roumanie, sont arrivés  au point  le plus proche pour   recréer l'expérience de pensée originale  , au  laboratoire. Ils utilisent une molécule de dioxygène qui est excitée par rayons X accordables   sur  la ligne de lumière  du faisceau  les Pléiades du synchrotron . En ajustant l'énergie des rayons X, les chercheurs peuvent promouvoir un électron d'une orbitale moléculaire intérieure soit dans un état lié de haute énergie soit  dans  un état répulsif  dans lequel la molécule se brise. Après cette transition, l'un des atomes d'électrons émet un autre électron  de recul  de type  Auger,  .

Si le premier électron a été promu à l'état lié, il se relaxe  à l'état   moléculaire fondamental  et les deux atomes reculent  ensemble quand l'électron Auger est émis. Cela signifie que la mesure du recul des atomes  ne revèle rien  sur  l’ atome qui a émis l'électron. Toutefois, si l'électron a été promu à l'état répulsif , la molécule se brise pour créer  des atomes d'oxygène séparés. Si l'électron Auger est émis après  que la molécule se  soit brisée , les atomes ne seront pas à même  de  reculer en même temps, et en mesurant le recul des atomes cela  révélera l’atome qui a  éjecté l'électron. Les deux atomes agissent donc comme des fentes de l'expérience de pensée, et l'émission d'un électron est une particule analogue émergeant  des deux fentes. Si les atomes reculent ensemble, nous ne savons pas par quelle fente l'électron est  passé - mais si un seul recule, nous savons quelle fente a été utilisée.

En lieu et place de l'écran, l'équipe a utilisé une machine auto-construite et unique, extrêmement élaborée ,  appelé EPICEA, qui mesure les trois composantes de l'impulsion des deux  ,  celle  de  l'électron émis et  celle  de l'atome de recul . "C’est en fait ce que j’ai construit pour ma thèse de doctorat il y a 20 ans», raconte  Miron.

En corrélant l'énergie des électrons émis à l'angle entre l'émission d'électrons et l'axe de la molécule diatomique pour un grand nombre de collisions photon-molécule, les chercheurs ont reconstruit par voie électronique la "figure d'interférence". En regardant le décalage Doppler de l'ion de recul, les chercheurs pouvaient également calculer si un ou deux atomes avaient reculé. Lorsque les deux atomes étaient indiscernables, des  franges d'interférence ont été produites (voir figure); tandis que lorsque l'émission portait une signature claire provenant  d’un atome ou de  l'autre, une bande continue a été réalisée avec aucune preuve de franges. Ceci  est en bon accord avec les calculs théoriques de haut niveau - et montre une fois de plus que c est l'interprétation de Bohr de l'expérience de pensée  qui est la bonne.

Jörg Schmiedmayer appelle ce travail " belle démonstration d'un effet très fondamental", et explique que si, en principe, «la physique est exactement le même  que dans l'expérience de Haroche ou dans notre expérience ... dans ces autres  publications jusqu'à présent la fente était un photon ou quelque chose comme ça. Ici vous avez deux particules de matière qui sont vos deux fentes.Et  ce sont des mesures qui se rapprochent de plus en plus de  la proposition initiale d'Einstein et Bohr ".

La recherche est décrite dans Nature Photonics.

En 2002 lecteurs Physics World voté l'expérience double fente avec des électrons "La plus belle expérience"

À propos de l'auteur

Tim Wogan est un écrivain de science basée au Royaume-Uni

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 Mon commentaire :  Je trouvais que  le papier de WOGAN   n’était pas assez didactique  et plutôt destiné aux physiciens qui connaissent le principe  de  cette manip de diffraction  «  par cœur » ! c’est pourquoi je me suis fait plaisir à aller directement regarder les écrits de CALALYN MIRON   sur internet !j’ai eu la grande joie de tomber sur le superbe  interview de celui-ci  par  SYLVESTRE HUET  dans Sciences² ( « Liberation »). Je présente ces photos que je trouve très parlantes  et de plus pour souligner mon accord je présente le copier- coller essentiel de sa conclusion :"Et quel est son verdict ?

Catalin Miron: Il est sans appel: si l’on est capable de mesurer la quantité de mouvement transférée à la fente, alors la figure d’interférence disparaît. Donc Bohr avait raison. D’une certaine manière, il n’y a plus de hasard dans notre expérience".....

 «   Est-ce la fin de l’histoire pour cette expérience de pensée ?

Catalin Miron : Non ce n’est pas la fin de l’histoire. Le prochain rêve c’est de réaliser la même expérience mais sous la forme d’un film ultrarapide et non d’une série de photographies. De manière à observer et comprendre la transition entre le cas où l’électron est émis à partir d’une molécule, aux temps très courts et celui où il est émis beaucoup plus tard, disons plus de cinq femtosecondes après l'excitation lorsque les deux atomes sont bien dissociés. C’est d’ailleurs ce que l’expérience de Serge Haroche fait, d'une certaine manière, mais sans mesurer la quantité de mouvement transféré. Cela sera peut-être possible avec un laser à électrons libres dans le domaine des rayons X comme ceux qui sont récemment rentrés en opération aux Etats-Unis (LCLS) ou bien au Japon (SACLA). En France, il y a un projet de démonstrateur d’un tel laser LUNEX-5, porté par Marie-Emmanuelle Couprie qui travaille à Soleil »

 Enfin  voilà une merveilleuse manip  d expérimentateurs à  venir sur  SACLAY  et qui me rend heureux!!! !

 ps !  EINSTEIN HAÏSSAIT LE HASARD  ISSU DE SA MECANIQUE QUANTIQUE ! voici  la presentation de  MIRON  / COPIER/COLLER)"L’idée d’Einstein, est que cette expérience ( de pensée) destinée à mettre en difficulté la mécanique quantique resterait à jamais irréalisable car elle suppose de maîtriser des photons, ou des électrons et des atomes, un par un. En outre, si la fente, ou ce qui en tient lieu, est massive, la quantité de mouvement transférée par le photon est du même ordre que ses fluctuations quantiques, elle en est donc indiscernable et reste non détectable"