expérience des fentes de Young carte mentale

Comprendre le sujet

L'expérience des fentes de Young, réalisée par Thomas Young au début du XIXe siècle, démontre la nature ondulatoire de la lumière. En faisant passer de la lumière à travers deux fentes étroites, on observe des franges d'interférence alternativement claires et sombres. Ce phénomène s'explique par la superposition d'ondes lumineuses cohérentes, confirmant la théorie ondulatoire contre la vision corpusculaire newtonienne, et préfigure la dualité onde-particule de la physique quantique.

Le mécanisme des interférences
Lorsque la lumière traverse les deux fentes, chaque fente se comporte comme une source secondaire émettant des ondes circulaires. Sur l'écran, ces ondes se superposent : là où leurs crêtes coïncident, l'amplitude s'additionne et la frange est brillante ; là où une crête rencontre un creux, les amplitudes se compensent et la frange est sombre. La différence de marche, c'est-à-dire la différence de distance parcourue par les deux ondes jusqu'à un point donné, détermine le déphasage. Cette répartition de l'intensité en franges régulières est la signature caractéristique d'un phénomène ondulatoire, impossible à expliquer par de simples rayons de particules indépendants.

L'interfrange et ses paramètres
L'écartement entre deux franges brillantes consécutives, appelé interfrange, dépend de trois grandeurs. Il est proportionnel à la longueur d'onde de la lumière : une lumière rouge donne des franges plus espacées qu'une lumière bleue. Il est proportionnel à la distance entre les fentes et l'écran : éloigner l'écran dilate la figure. Il est inversement proportionnel à l'écart entre les fentes : rapprocher les fentes augmente l'interfrange. Ces relations permettent de mesurer expérimentalement la longueur d'onde de la lumière, ce que Young a exploité pour estimer des valeurs proches de celles admises aujourd'hui pour la lumière visible.

Pourquoi la cohérence est indispensable
Deux lampes distinctes ne produisent pas de franges observables : leurs émissions sont incohérentes, avec des déphasages qui varient de façon aléatoire et très rapide, si bien que les figures d'interférence se moyennent et disparaissent. L'astuce de Young consiste à éclairer les deux fentes avec une même source : les ondes issues des deux fentes proviennent alors du même front d'onde et restent en phase. Avec une lumière blanche, chaque longueur d'onde donne son propre système de franges, si bien que l'on observe des franges colorées, le blanc subsistant au centre où toutes les longueurs d'onde interfèrent constructivement.

De l'optique classique à la quantique
Au XXe siècle, l'expérience a pris une dimension nouvelle : réalisée avec des électrons, puis avec des photons émis un par un, elle produit néanmoins une figure d'interférence, à condition d'accumuler suffisamment d'impacts. Chaque quantum semble donc interférer avec lui-même, ce que la mécanique quantique décrit par une superposition d'états. Si l'on détermine par quelle fente passe chaque particule, la figure d'interférence disparaît : la mesure perturbe le système. Ce résultat illustre la dualité onde-particule, sans contredire l'interprétation ondulatoire classique, qui reste valable pour la lumière ordinaire.