He Tracked a Photon Through the Double Slit

L'intervenant aborde une expérience menée il y a une dizaine d'années concernant le lieu où un photon se déplaçait dans l'expérience de la double fente, ce qui est normalement considéré comme impossible à déterminer avant une mesure. Il souligne que, traditionnellement, on ne peut pas dire ce que fait une particule avant d'être mesurée. L'expérience en question est une application des « mesures faibles », une technique qui permet de mesurer en moyenne la position d'un photon dans un plan sans le perturber. Le photon peut ainsi continuer sa trajectoire et être mesuré plus tard. L'idée est de déterminer où se trouvait le photon en moyenne avant d'atteindre un certain point sur l'écran. La motivation de cette expérience était de tester la théorie des variables cachées de David Bohm, qui s'appuie sur le travail de De Broglie. Contrairement à la croyance populaire, les théories des variables cachées en mécanique quantique ne sont pas toutes réfutées ; seules les théories des variables cachées *locales* le sont. La théorie de Bohm est une théorie dualiste qui postule l'existence simultanée d'une onde et d'une particule, la particule « chevauchant » l'onde. Chaque particule a une position définie, et les statistiques de leurs positions finales sont décrites par la théorie des ondes. L'expérience visait à savoir s'il était possible de mesurer ces « trajectoires de Bohm », c'est-à-dire le parcours d'une particule donnée. Howard Weisman, un collaborateur, a réalisé qu'en mesurant faiblement la position des particules dans un plan, puis en sélectionnant leur point d'atterrissage final, on pouvait reconstituer des trajectoires qui correspondaient exactement à celles du modèle de Bohm. Bien que cela ne prouve pas la justesse du modèle de Bohm, cela établit un lien intéressant entre la réalité mesurable (grâce aux mesures faibles) et des concepts du modèle de Bohm autrefois considérés comme inobservables directement. D'un point de vue plus orthodoxe de la mécanique quantique, l'expérience a permis de mesurer directement un opérateur qui représente le flux de particules (nombre de particules par unité de temps) traversant une région donnée, ou leur direction de déplacement. Cet observable est, par construction, égal aux moments des trajectoires dans le modèle de Bohm. Il est important de noter que le modèle de Bohm est conçu pour être expérimentalement indiscernable de la mécanique quantique standard en ce qui concerne les résultats finaux. Cependant, le modèle de Bohm fournit des informations supplémentaires sur la position de chaque particule *tout au long de son parcours*, ce que l'on pensait auparavant inobservable. Pour la plupart des physiciens, y compris les expérimentateurs, il était surprenant qu'une mesure directe, avec une motivation opérationnelle claire, puisse révéler ces trajectoires dites « cachées » du modèle de Bohm, et pas seulement l'état final prédit. Concernant la question d'un cadre de référence privilégié, l'intervenant estime que l'expérience n'est pas directement liée à cette problématique. Il rappelle que l'univers *possède* un cadre de référence privilégié, celui du fond diffus cosmologique, mais que les lois de la physique sont les mêmes dans tous les cadres de référence. John Bell avait d'ailleurs suggéré que notre traitement habituel de la relativité mettait trop l'accent sur l'aspect relatif et l'équivalence des cadres de référence. L'intervenant aborde ensuite la question de savoir si son expérience constitue une preuve en faveur de la mécanique de Bohm. Il souligne que la mécanique de Bohm standard est non relativiste et implique donc un cadre de référence privilégié (newtonien). Cependant, il serait surpris que Tim Maudlin, un partisan de la mécanique de Bohm, pense que cette expérience prouve quoi que ce soit en faveur du modèle de Bohm, car les deux théories sont opérationnellement indiscernables. Selon l'intervenant, les expériences ne se contentent pas de tester une théorie ; elles révèlent quels éléments de la théorie sont importants pour décrire les situations et donnent une intuition sur les aspects d'une théorie auxquels on peut attribuer une réalité. À ce titre, il pense que de telles expériences donnent plus d'arguments à ceux qui considèrent ces trajectoires comme réelles, même si cela ne prouve rien formellement. Personnellement, bien qu'il ait été initialement fasciné par la mécanique de Bohm, certaines de ses prédictions intermédiaires (les trajectoires) lui semblaient trop étranges pour être une description utile de la réalité, bien qu'il ait ensuite nuancé son jugement sans devenir un adepte. L'intervenant partage ensuite une anecdote personnelle : son intérêt pour la physique a été en partie déclenché par une question de son père, ingénieur électricien, sur ce qu'est un électron et pourquoi le principe d'exclusion de Pauli est vrai. Son père ne pouvait pas répondre à la question fondamentale de *pourquoi* ce principe existe. Des décennies plus tard, l'intervenant reconnaît que, bien que nous puissions le décrire mathématiquement, la raison fondamentale de ce principe reste une question profonde. Le principe d'exclusion de Pauli est lié au mystère des particules indiscernables en mécanique quantique. En trois dimensions, les particules se comportent soit comme des bosons (qui peuvent occuper le même état, comme les photons dans les lasers ou les électrons dans les supraconducteurs), soit comme des fermions (qui s'excluent mutuellement du même état, comme les électrons). Le théorème spin-statistique relie ce comportement au moment angulaire (spin) de la particule. L'intervenant trouve les formulations de ce théorème parfois un peu circulaires, mais si on l'accepte, il stipule que les particules de spin demi-entier (comme les électrons) ne peuvent pas occuper le même état spatial. La question de savoir pourquoi tous les électrons sont identiques est également fondamentale. La compréhension actuelle est que les particules sont des « excitations » d'un champ. Quand on parle d'un million d'électrons, on signifie que l'énergie stockée dans le champ est un million d'unités au-dessus du zéro absolu, ce qui rend les particules véritablement indiscernables. Enfin, l'intervenant aborde le spin demi-entier des électrons. Alors que le moment angulaire est quantifié par multiples de la constante de Planck, l'électron a un moment angulaire intrinsèque d'une demi-unité. Cela signifie que, contrairement aux objets macroscopiques qui redeviennent identiques après une rotation de 360°, les électrons semblent subir un « retournement » après 360° et nécessitent une rotation de 720° pour retrouver leur état initial. C'est cette propriété qui est mathématiquement appelée « spin demi-entier » et qui signifie que l'échange de deux électrons est fondamentalement différent de l'échange de deux photons. C'est une loi mathématique que nous connaissons, mais le fondement sous-jacent reste un mystère en physique.