Jusqu’à présent, nous avons vu des particules se déplacer sous forme d’ondes et avons appris qu’une seule particule peut suivre plusieurs chemins largement séparés. Il y a un certain nombre de questions qui découlent naturellement de ce comportement, l’une d’entre elles étant : « Quelle est la taille d’une particule ? La réponse est remarquablement subtile, et au cours des deux prochaines semaines (et articles), nous explorerons différents aspects de cette question.
Aujourd’hui, nous allons commencer par une question apparemment simple : “Comment long est une particule?”
Pour répondre à cela, nous devons penser à une nouvelle expérience. Auparavant, nous envoyions un photon sur deux chemins très différents. Alors que les chemins étaient largement séparés dans cette expérience, leurs longueurs étaient identiques : chacun faisait le tour de deux côtés d’un rectangle. Nous pouvons améliorer cette configuration en ajoutant quelques miroirs, ce qui nous permet de modifier progressivement la longueur de l’un des chemins.
Lorsque les chemins ont la même longueur, nous voyons des rayures comme nous l’avons fait dans le premier article. Mais au fur et à mesure que nous rallongeons ou raccourcissons l’un des chemins, les rayures s’estompent lentement. C’est la première fois que nous voyons des rayures disparaître lentement ; dans nos exemples précédents, les rayures étaient présentes ou non.
Nous pouvons provisoirement associer cette décoloration des rayures lorsque nous modifions la longueur du chemin avec la longueur du photon voyageant sur le chemin. Les rayures n’apparaissent que si les ondes d’un photon se chevauchent lorsqu’elles sont recombinées.
Mais si les particules voyagent comme des ondes, qu’entendons-nous même par une longueur ? Une image mentale utile peut être de laisser tomber un caillou dans un bassin d’eau lisse. Les ondulations résultantes se sont propagées dans toutes les directions sous la forme d’un ensemble d’anneaux. Si vous tracez une ligne à partir de l’endroit où le rocher est tombé à travers les anneaux, vous constaterez qu’il y en a cinq à dix. En d’autres termes, il y a une épaisseur à l’anneau des vagues.
Une autre façon de voir les choses est comme si nous étions un bouchon sur l’eau ; nous ne sentirions aucune vague, une période de vagues, puis de l’eau douce à nouveau après le passage de l’ondulation. Nous disons que la “longueur de l’ondulation” est la distance/le temps sur lequel nous avons expérimenté les vagues.
De même, nous pouvons penser à un photon en déplacement comme étant un ensemble d’ondulations, un bloc d’ondes entrant dans notre expérience. Les ondes se séparent naturellement et empruntent les deux chemins, mais elles ne peuvent se recombiner que si les deux longueurs de chemin sont suffisamment proches pour que les ondulations interagissent lorsqu’elles sont réunies. Si les chemins sont trop différents, un ensemble d’ondulations sera déjà passé avant que l’autre n’arrive.
Cette image explique bien pourquoi les rayures disparaissent lentement : elles sont fortes lorsqu’il y a un chevauchement parfait, mais s’estompent à mesure que le chevauchement diminue. En mesurant la distance jusqu’à ce que les rayures disparaissent, nous avons mesuré la longueur des ondulations des ondes des particules.
Nous pouvons passer par nos expériences habituelles et voir les mêmes caractéristiques que nous avons vues auparavant : baisser le taux de photons (ce qui produit un pointillisme de paintball de rayures), changer la couleur (des couleurs plus bleues signifient un espacement plus étroit), etc. Mais maintenant, nous pouvons aussi mesurer comment les rayures se comportent lorsque nous ajustons la longueur du chemin.
Alors que nous utilisons souvent des lasers pour générer des particules de lumière (ce sont d’excellents tireurs de pois à photons), n’importe quel type de lumière fera l’affaire : une ampoule à incandescence, une lumière d’ambiance à LED, une lampe au néon, des lampadaires au sodium, une lumière stellaire, de la lumière passée à travers des filtres colorés. . Quel que soit le type de lumière que nous envoyons, cela crée des rayures lorsque les longueurs de trajet correspondent. Mais les rayures s’estompent à des distances allant de microns pour la lumière blanche à des centaines de kilomètres pour les lasers de la plus haute qualité.
Les sources lumineuses aux couleurs distinctes ont tendance à avoir les ondulations les plus longues. Nous pouvons étudier les propriétés de couleur de nos sources lumineuses en envoyant leur lumière à travers un prisme. Certaines des sources lumineuses ont une gamme de couleurs très étroite (la lumière laser, la lampe au néon, le lampadaire au sodium) ; certains ont un large arc-en-ciel de couleurs (l’ampoule à incandescence, la lumière d’ambiance à LED, la lumière des étoiles) ; tandis que d’autres, comme la lumière du soleil envoyée à travers un filtre coloré, sont intermédiaires dans la gamme des couleurs composites.
Ce que nous remarquons, c’est qu’il existe une corrélation : plus la gamme de couleurs de la source lumineuse est étroite, plus la différence de chemin peut être longue avant que les rayures ne disparaissent. La couleur elle-même n’a pas d’importance. Si je choisis un filtre rouge et un filtre bleu qui laissent passer la même largeur de couleurs, leurs rayures disparaîtront à la même différence de chemin. C’est le gamme de couleur qui compte, pas la couleur moyenne.
Ce qui nous amène à un résultat plutôt surprenant : la longueur d’onde d’une particule est donnée par la gamme de couleurs (et donc d’énergies) dont elle dispose. La longueur n’est pas une valeur définie pour un type particulier de particule. Rien qu’en fouillant dans notre tiroir de sources lumineuses, nous avons fabriqué des photons de longueurs allant du micron (lumière blanche) à quelques cm (un pointeur laser).