Un experiment de pensée centenaire proposé par Albert Einstein pour contester les idées de Niels Bohr sur la mécanique quantique a été réalisé lors d'un test dans le monde réel. Des chercheurs dirigés par Chao-Yang Lu à l'University of Science and Technology of China ont utilisé des outils modernes pour confirmer le principe de complémentarité de Bohr. Les résultats montrent que la lumière présente à la fois des propriétés d'onde et de particule, mais pas simultanément de manière claire.
La rivalité entre Albert Einstein et Niels Bohr sur la mécanique quantique remonte à 1927, centrée sur l'expérience de la double fente démontrée pour la première fois par Thomas Young en 1801. Young a prouvé que la lumière se comporte comme une onde en montrant un motif d'interférence de bandes claires et sombres sur un écran après passage par deux fentes. Einstein affirmait que la lumière est une particule, tandis que Bohr a introduit la complémentarité, suggérant que les objets quantiques peuvent agir comme des ondes ou des particules mais pas les deux à la fois.
Einstein a proposé de modifier l'expérience avec une fente en recul pour suivre le trajet d'un photon, ce qu'il pensait révélerait les deux comportements simultanément, contredisant Bohr. Près d'un siècle plus tard, Lu et son équipe à l'University of Science and Technology of China l'ont réalisé. Ils ont tiré un photon unique sur un atome ultra-froid agissant comme la fente, refroidi par des lasers et des forces électromagnétiques pour un contrôle précis.
L'atome a reculé lors de l'interaction, plaçant le photon dans un état imitant le passage par deux chemins et produisant un motif d'interférence. En ajustant l'incertitude de quantité de mouvement de l'atome, comme prédit par le principe d'incertitude de Heisenberg, l'équipe a pu effacer le motif en mesurant précisément l'information de quel chemin. Dans des régimes intermédiaires, une interférence floue est apparue aux côtés de données partielles de recul, montrant les deux propriétés partiellement. «Voir la mécanique quantique 'en action' à ce niveau fondamental est tout simplement époustouflant », a déclaré Lu.
L'argument de contre-attaque de Bohr tenait : une connaissance précise de la position brouille le moment, détruisant le motif. Une expérience connexe cette année par Wolfgang Ketterle au Massachusetts Institute of Technology a utilisé deux atomes ultra-froids et des lasers, confirmant des résultats similaires même sans mécanismes de recul. «En physique atomique, avec des atomes froids et des lasers, nous avons de réelles opportunités de mettre en scène la mécanique quantique avec une clarté qui n'était pas possible auparavant », a noté Ketterle.
Philipp Treutlein à l'University of Basel a salué le travail pour sa correspondance avec les prédictions historiques et son impact éducatif. Lu espère qu'il inspire l'émerveillement devant la beauté de la mécanique quantique. Les résultats paraissent dans Physical Review Letters (DOI: 10.1103/93zb-lws3).