Il existe plusieurs niveaux de compréhension sur le comportement de la lumière. La plupart du temps, on peut utiliser l'approche qui consiste à dire que la lumière se propage en ligne droite, donc c'est un rayon qui part d'un point de l'espace vers un autre point de l'espace.
Avec d'autres niveaux, la lumière est vue comme une onde qui se propage : c'est une approche qui donne des bons résultats pour certaines expériences. Elle explique par exemple pourquoi dans un instrument optique, une source ponctuelle n'est pas nécessairement un point image observable ou par exemple qu'une étoile peut être vue comme un point entouré par des anneaux. Cette approche explique par exemple le phénomène d'interférences ou de diffraction de la lumière. Si l'on éclaire par exemple avec un faisceau laser deux fentes très fines, on observe sur un écran non pas deux lignes mais une multitude de ligne de lumière : c'est le phénomène d'interférences. L'expérience a été réalisée (sous une forme un peu différente) par Thomas Young en 1801.
Il existe un autre niveau de compréhension de la lumière où il faut faire appel à la mécanique quantique pour expliquer les phénomènes, c'est à dire une approche beaucoup moins intuitive que les deux précédents modèles. C'est une approche surtout utilisée pour le monde microscopique et le monde des particules élémentaires.
Albert Einstein n'était pas justement très convaincu par certains résultats de la mécanique quantique, car cela supposait de "penser" complètement différemment le monde des particules où les résultats étaient loin de l'observation habituelle dans le monde macroscopique. Il a proposé plusieurs expériences de pensée pour essayer de vérifier l'approche de la mécanique quantique proposée par "l'école de Copenhague" avec les travaux de Niels Bohr. Dans les années 1920 est apparue une physique très différente qui faisait appel à des notions de probabilités de présence ou de relations assez déroutantes. L'une de ces relations consistait à dire qu'il était impossible de connaître en même temps la position et la vitesse d'un objet quantique avec une grande précision.
Dit autrement, ce principe signifie donc qu'un objet quantique peut avoir un comportement soit corpusculaire soit ondulatoire suivant le protocole expérimental. La lumière, étant aussi un objet quantique, peut avoir cette propriété assez insolite. L'expérience de Young avait démontré de son temps l'aspect ondulatoire de la lumière (puisqu'on observait des franges d'interférences) au détriment de l'aspect corpusculaire. Le phénomène d'interférences a été observé par la suite pour d'autres objets quantiques comme des molécules ou des ions. Or, la lumière peut avoir aussi un comportement corpusculaire suivant les conditions expérimentales (où il faut faire appel à la notion de particules comme le photons).
Albert Einstein a proposé une expérience de pensée pour vérifier ce passage étrange entre l'approche corpusculaire et l'approche ondulatoire. Cette expérience de pensée ("gedanken experiment") consiste à réfléchir sur ce qui se passe exactement lors du passage des photons par les fentes. Une équipe de recherche au Synchrotron Soleil a démontré justement ce passage de l'un à l'autre comportement. L'expérience technique est impressionnante de complexité, mais le fait est là : Albert Einstein avait tort dans son point de vue, mais ses expériences de pensée ont marqué la physique moderne. Elles ont permises de ne pas encore falsifier la mécanique quantique, qui a été vérifiée à plusieurs reprises comme valide.
Références :
X-J. Liu and al., "Einstein-Bohr recoiling double-slit gedanken experiment performed at the molecular level"
doi : 10.1038/NPHOTON.2014.289
Figure 1 : Si le photons était unique, à quel endroit passerait-il à travers la grille ?
Références :
X-J. Liu and al., "Einstein-Bohr recoiling double-slit gedanken experiment performed at the molecular level"
doi : 10.1038/NPHOTON.2014.289